China meldet Kühlrekord für Atome: 9,7 Pikokelvin auf der Raumstation

Eine Atomwolke knapp über dem absoluten Nullpunkt

Chinesische Wissenschaftler haben eine Wolke aus Rubidiumatomen an Bord des Labormoduls Mengtian der chinesischen Raumstation auf eine äquivalente Temperatur von 9,7 Pikokelvin abgekühlt und ihre Ausdehnung sieben Sekunden lang beobachtet, wie das Forschungsteam mitteilte. Das Ergebnis vereint eine ungewöhnlich niedrige Temperatur mit einem langen Beobachtungszeitraum – zwei Bedingungen, die Wissenschaftlern helfen könnten, die Schwerkraft genauer zu messen und das Quantenverhalten zu untersuchen.

Das Technologie- und Ingenieurzentrum für Weltraumnutzung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gab den Erfolg am 6. November 2026 bekannt. Die Studie mit dem Titel „Quantengase unter 10 Pikokelvin im Weltraum“ wurde online in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Das Zentrum leitete das Projekt gemeinsam mit der Peking-Universität und dem Shanghaier Institut für Optik und Feinmechanik.

Das Team bezeichnet das Ergebnis als Rekord für die kälteste künstlich erzeugte Materie. Der Wert von 9,7 Pikokelvin entspricht etwa einem Viertel der 38 Pikokelvin, die ein Team der Universität Bremen 2021 erreichte, und weniger als einem Fünftel der 52 Pikokelvin, die das Cold Atom Laboratory der NASA 2022 an Bord der Internationalen Raumstation erzielte.

Ein Pikokelvin ist ein Billionstel Kelvin. Der neue Wert entspricht somit 0,0000000000097 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, der einer Temperatur von minus 273,15 Grad Celsius entspricht. Wissenschaftler berechnen diese äquivalente Temperatur anhand der extrem langsamen Ausdehnung der freigesetzten Atome. Die Temperatur beschreibt die Bewegung dieser winzigen Atomwolke innerhalb des Apparats.

In rund 400 Kilometern Höhe über der Erde nutzt das Experiment die Mikrogravitation der Raumstation, um die Kräfte zu verringern, die die Atome festhalten, und sie länger zu beobachten, als es ein kompaktes Labor auf der Erde ermöglichen würde.

Was Wissenschaftler unter dem Abkühlen von Atomen verstehen

Rubidiumatome bewegen sich normalerweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in viele Richtungen. Beim Abkühlen wird die ungeordnete Bewegung innerhalb einer Atomgruppe verringert. Bei extrem niedrigen Temperaturen und geeigneten Dichten können sie ein Bose-Einstein-Kondensat bilden – einen Zustand, in dem viele Atome denselben Quantenzustand einnehmen und sich gemeinsam verhalten.

Ein Kondensat bietet Forschern ein größeres, kontrollierbares System, um Effekte zu untersuchen, die üblicherweise mit einzelnen Teilchen in Verbindung gebracht werden. Statt ein einzelnes Atom inmitten rascher Bewegungen verfolgen zu müssen, können Wissenschaftler eine geordnete Wolke erzeugen, ihre Umgebung verändern und ihre Reaktion messen.

Die äquivalente Temperatur des Experiments ergibt sich daraus, wie langsam sich die Wolke nach ihrer Freisetzung ausbreitet. Eine Wolke, deren Atome sich relativ zueinander nur sehr wenig bewegen, dehnt sich äußerst langsam aus. Durch die Beobachtung dieser Ausdehnung können Forscher die mit der Bewegung verbundene Energie bestimmen.

Der absolute Nullpunkt bleibt nach den Gesetzen der Thermodynamik unerreichbar. Praktisches Ziel ist es, die Bewegung der Atome so weit zu verringern, dass schwache Effekte sichtbar werden und nützliche Versuchsbedingungen länger aufrechterhalten werden können. Bei diesem Experiment sind die sieben Sekunden Beobachtungszeit ein wesentlicher Teil des Erfolgs.

Warum sieben Sekunden im Weltraum wichtig sind

Die Schwerkraft der Erde stellt Kühlversuche vor zwei miteinander verbundene Probleme. Sie zieht die Atome nach unten, während die Forscher ihre Falle abschwächen, und begrenzt, wie lange eine freigesetzte Wolke in der Beobachtungskammer bleiben kann. Eine schwächere Falle erleichtert das Abkühlen, kann die Atome aber zugleich weniger gut gegen die Schwerkraft halten.

Die Raumstation und ihre Laboreinrichtungen fallen gemeinsam um die Erde. Dadurch entsteht Mikrogravitation, sodass die Atome mit deutlich schwächerer Einspannung in der Nähe des Apparats bleiben können. Die Wissenschaftler können sie dadurch weiter abkühlen und ihre Ausdehnung länger beobachten.

Wolfgang Ketterle, Physikprofessor am Massachusetts Institute of Technology und Träger des Nobelpreises für Physik 2001, erläuterte die Größenordnung des Problems bei einem sieben Sekunden dauernden Experiment auf der Erde:

Auf der Erde würde sie etwa 250 Meter nach unten fallen und tatsächlich auf dem Boden aufschlagen, sofern man keine Vakuumkammer hat, die 250 Meter hoch ist.

Das Orbitlabor ermöglicht diese verlängerte Beobachtung mit einem kompakten Instrument. Forscher am Boden bedienen dessen Ausrüstung aus der Ferne und nutzen automatisierte Steuerungen, um die genau getaktete Kühlsequenz durchzuführen.

Wie Laserlicht zur Atomfalle wird

Das Instrument enthält etwa 5 Gramm metallisches Rubidium als Atomvorrat. Die Sequenz beginnt damit, das Metall zu erhitzen und so Dampf freizusetzen. Laser und Magnetfelder fangen anschließend Atome aus diesem Dampf ein und kühlen sie zunächst ab, bevor das Team sie in Fallen überführt, die durch Laserlicht erzeugt werden.

Die Forscher verwenden zwei Stufen gekreuzter optischer Fallen. In einer optischen Falle üben sorgfältig angeordnete Laserstrahlen Kräfte aus, die Atome in einem kleinen Bereich festhalten. Wird die Lichtintensität verringert, wird die Falle flacher und energiereichere Atome können entweichen. Die verbleibenden Atome haben im Durchschnitt weniger Energie – ein Verfahren, das als Verdampfungskühlung bezeichnet wird.

In der letzten Stufe kommt eine nichtadiabatische Expansion zum Einsatz: Dabei wird die Einspannung kontrolliert verändert, sodass sich die Wolke ausdehnen kann und die mit ihrer effektiven Temperatur verbundene Bewegung weiter abnimmt. Zusammen brachten die einzelnen Stufen die Rubidiumwolke auf unter 10 Pikokelvin.

Die Mikrogravitation stellte auch eine technische Herausforderung dar: Die Verdampfung in einer optischen Falle wurde weniger effizient. Das Team entwickelte eine Methode, bei der ein zusätzliches magnetisches Gefälle – ein Magnetfeld, dessen Stärke sich räumlich verändert – den Prozess unterstützt und ein hochreines Kondensat erzeugt.

Die optische Falle bleibt das zentrale Werkzeug der fortgeschrittenen Kühlstufen, während Magnetfelder Teile der Vorbereitung unterstützen. Damit diese Aufgaben zusammenspielen, müssen Laserintensität, Zeitsteuerung und Umgebungsstörungen präzise kontrolliert werden.

Ein anderer Weg als auf der Internationalen Raumstation

Das Cold Atom Laboratory der NASA hat Magnetfallen verwendet, die mit einem Atomchip erzeugt werden, außerdem Hochfrequenz-Verdampfung und eine abschließende Kühltechnik mit einem kurzen Impuls. Das chinesische Team setzte dagegen auf optische Einspannung, eine über die Lichtintensität gesteuerte Verdampfung und eine starke Abkühlung durch Expansion.

Nach Angaben der Forscher bietet die optische Falle nützliche Flexibilität für künftige Experimente und verringert während der Einspannung die Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störungen. Mit mehreren Laserstrahlen lassen sich außerdem Strukturen erzeugen, die für Quantensimulationen nützlich wären. Dabei bildet ein kontrollierbares Atomsystem ausgewählte Eigenschaften eines anderen physikalischen Systems nach.

Die früheren Rekorde bieten zwei Vergleichswerte. Das Bremer Ergebnis von 38 Pikokelvin aus dem Jahr 2021 wurde mithilfe eines Fallturms erzielt, der kurzzeitig Mikrogravitation erzeugt. Das Experiment auf der Internationalen Raumstation erreichte 2022 eine Temperatur von 52 Pikokelvin. Die von China gemeldeten 9,7 Pikokelvin liegen etwa um den Faktor 3,9 unter dem Bremer Wert und rund um den Faktor 5,4 unter dem früheren Ergebnis aus dem Orbit.

Das neue Experiment verbindet den Temperaturwert mit sieben Sekunden beobachteter Ausdehnung. Für Forscher, die Präzisionsexperimente vorbereiten, kann eine Wolke, die länger langsam bleibt und beobachtet werden kann, nützlicher sein als ein Temperaturrekord allein.

Vom Laborraum zum Schrankmodul im Orbit

Der Versuchsaufbau am Boden beanspruchte rund 20 Kubikmeter und wog etwa 10 Tonnen. Technische Beschreibungen beziffern das integrierte Orbitmodul auf etwa 0,7 Kubikmeter und 500 Kilogramm. In der Mitteilung des Zentrums ist außerdem von weniger als einem Kubikmeter, etwa 300 Kilogramm und rund 700 Watt die Rede; die unterschiedlichen Gewichtsangaben wurden nicht erklärt.

Nach den detaillierten technischen Angaben beansprucht das Orbitalsystem etwa ein Neunundzwanzigstel des Volumens des Bodenaufbaus und hat ein Zwanzigstel seiner Masse. Für diese Verkleinerung mussten Laser, Präzisionsoptik, Vakuumausrüstung und elektronische Steuerungen auf engstem Raum zusammenarbeiten.

Die Entwickler setzten auf Glasfaserverbindungen für das Lasersystem, präzise Lasersteuerung, Ultrahochvakuum, automatisierte Elektronik und Schwingungsisolierung. Das Vakuum verringert Kollisionen mit unerwünschten Gasteilchen, während die Isolierung mechanische Störungen begrenzt, die die empfindliche Wolke durcheinanderbringen könnten.

Das Modul ist zudem modular aufgebaut. Forscher können für unterschiedliche Studien Versuchsbausteine und Zeitabläufe auswählen. So kann dieselbe Plattform verschiedene Arten der Quantenforschung unterstützen, statt nur eine einzige Demonstration des Abkühlens zu ermöglichen.

Ein entscheidender Durchbruch vor dem Start

Die erste Bewertung des Projekts begann 2011, lange bevor der Apparat in den Orbit gelangte. Ende 2021 trat eine kritische Schwierigkeit auf: Dem Team gelang es wiederholt nicht, das für die späteren Kühlstufen notwendige Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen.

Die Entwickler erhielten zehn zusätzliche Tage, um das Problem zu lösen, bevor über die Aufnahme des Instruments in den geplanten Flug entschieden wurde. Sie prüften und justierten Hardware und Software des gesamten Systems. In den frühen Morgenstunden des 8. Januar 2022 gelang schließlich die Erzeugung des Kondensats – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Start.

Die wichtigsten Meilensteine erstrecken sich über mehr als ein Jahrzehnt:

• 2011: Die erste Bewertung des Experiments mit ultrakalten Atomen für die Raumstation begann.
• Ende 2021: Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines Kondensats gefährdeten die geplante Aufnahme des Instruments in den Flug.
• 8. Januar 2022: Nach intensiver Fehlersuche erzeugte das Team das benötigte Kondensat.
• 2022: Die Versuchsanlage gelangte an Bord des Labormoduls Mengtian zur Raumstation.
• 6. November 2026: Das Ergebnis von 9,7 Pikokelvin wurde bekannt gegeben und die Studie online in Science veröffentlicht.

Der Professor der Peking-Universität Zhou Xiaoji und Chen Weibiao vom Shanghaier Institut für Optik und Feinmechanik gehörten zu den korrespondierenden Autoren der Studie. Als gleichrangige Erstautoren wurden Li Tang vom Shanghaier Institut sowie Xiong Wei und Jin Shengjie von der Peking-Universität genannt.

Längere Messungen könnten schwächere Effekte sichtbar machen

Atominterferometer gehören zu den Instrumenten, die von der neuen Plattform profitieren könnten. Sie nutzen die Welleneigenschaften von Atomen: Atomwellen werden aufgespalten und wieder zusammengeführt, sodass das entstehende Muster Effekte wie Beschleunigung oder Schwerkraft sichtbar macht.

Ernst M. Rasel, Physikprofessor an der Leibniz-Universität Hannover, beschrieb die Bedingungen, die diese Instrumente benötigen:

Atominterferometer profitieren stark von Quellen, die eine große Zahl von Atomen in einem ultrakalten Ensemble und lange Beobachtungszeiten bereitstellen.

Rasel erklärte, dass die Empfindlichkeit eines Interferometers mit dem Quadrat der Zeit zunimmt, die Atome im Instrument verbringen. Bleiben die übrigen Bedingungen gleich, kann eine Verdopplung dieser Zeit die Reaktion auf den gemessenen Effekt vervierfachen. Dadurch ist eine verlängerte Beobachtung besonders wertvoll, wenn die Signale sehr schwach sind.

Als nächsten Schritt nannte er ein orbitales Interferometer, in dem die Atomwellen mehrere Sekunden lang kohärent getrennt bleiben. Kohärenz bedeutet, die Beziehung zwischen den Wellen zu bewahren, damit sie bei ihrer Wiedervereinigung eine aussagekräftige Messung ermöglichen. Die sieben Sekunden Beobachtungszeit der Wolke bilden einen Ausgangspunkt für die Entwicklung dieser Fähigkeit.

Forscher sehen mögliche Anwendungen bei der Kartierung des Erdschwerefelds, in der Navigation und bei der Bestimmung von Satellitenbahnen. Präzisere Schwerkraftmessungen könnten außerdem helfen, Veränderungen an Gletschern und Meeresströmungen zu verfolgen, denn bewegtes Wasser und Eis verändern die Verteilung der Erdmasse.

Eine Plattform für Quantenexperimente

Das optische System könnte optische Gitter ermöglichen – Muster aus Laserlicht, die Atome in Anordnungen festhalten, die einem Kristall ähneln. Durch Veränderungen der Anordnung und der Wechselwirkungen können Forscher untersuchen, wie sich Teilchensammlungen unter kontrollierten Bedingungen verhalten.

Chen Weibiao nannte Quantenphasenübergänge, das Verhalten vieler miteinander wechselwirkender Quantenteilchen und Tests grundlegender physikalischer Theorien als mögliche Forschungsgebiete. Zu den vorgeschlagenen Forschungsschwerpunkten des Projekts zählen außerdem Simulationen zur Frühzeit des Universums, die Suche nach ultraleichter Dunkler Materie und Untersuchungen zu Higgs-Modellen.

Diese Experimente sind Zukunftsvorhaben, für die jeweils eigene Versuchsanordnungen und Messungen erforderlich sind. Der unmittelbare Erfolg besteht in einer Quelle extrem langsam bewegter Atome und einer verlängerten Beobachtungszeit. Die Forscher sehen außerdem mögliche Anwendungen für Quantensensoren und Atomuhren im Weltraum.

Lü Congmin, Chefdesigner des Weltraumanwendungssystems des chinesischen Raumfahrtprogramms mit Besatzung und stellvertretender Direktor des Zentrums für Weltraumnutzung, lud Forscher aus aller Welt ein, Experimente mit der Anlage durchzuführen und Versuchsmöglichkeiten gemeinsam zu nutzen. Ein Zeitplan für Bewerbungen oder ein Datum für die vorgeschlagenen Folgeexperimente wurde nicht bekannt gegeben.

Ketterle bezeichnete den Erfolg als „einen hervorragenden Ausgangspunkt für Fortschritte bei der atomaren Thermometrie und bei Präzisionsmessungen“. Die atomare Thermometrie, also die Temperaturmessung in Atomsystemen, wird selbst ein wichtiger Bestandteil bleiben, um solche Experimente zu verstehen und zu verbessern.

Die wichtigsten Punkte

• Das Team der chinesischen Raumstation meldet, eine Rubidium-Atomwolke auf eine äquivalente Temperatur von 9,7 Pikokelvin abgekühlt und ihre Ausdehnung sieben Sekunden lang beobachtet zu haben.
• Das Experiment fand im Labormodul Mengtian statt und nutzte eine Versuchsanlage, die 2022 ins All gebracht wurde.
• Die gemeldete Temperatur liegt unter den 38 Pikokelvin, die 2021 in Bremen erreicht wurden, und den 52 Pikokelvin, die 2022 an Bord der Internationalen Raumstation erzielt wurden.
• Die Kühlsequenz kombiniert optische Fallen, eine durch ein magnetisches Gefälle unterstützte Verdampfungskühlung und nichtadiabatische Expansion.
• Künftige Forschung könnte Quantensimulationen, Atominterferometer, Schwerkraftmessungen und Tests der Grundlagenphysik umfassen.