China meldet Rekord bei der Atomkühlung: 9,7 Pikokelvin an Bord von Tiangong

Eine Wolke aus 20.000 Atomen setzt einen neuen Maßstab

Chinesische Forschende haben rund 20.000 Rubidiumatome an Bord der Raumstation Tiangong auf eine effektive Temperatur von 9,7 Pikokelvin abgekühlt, also auf 9,7 Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Anschließend verfolgte das Team die freigesetzte Wolke sieben Sekunden lang bei ihrer Ausdehnung. Das schafft ein längeres Zeitfenster, um Quantenphysik zu untersuchen und präzise Gravitationsmessungen zu entwickeln.

Das Ergebnis, beschrieben in der am 5. November 2026 online in Science veröffentlichten Studie Quantum gases below 10 picokelvin in space, unterbietet den zuvor gemeldeten Bestwert von 38 Pikokelvin aus einem deutschen Experiment von 2021. Das Cold Atom Lab der NASA an Bord der Internationalen Raumstation hatte zuvor 52 Pikokelvin erreicht.

Die Chinesische Akademie der Wissenschaften bezeichnet die Leistung in ihrer Mitteilung zur Atomkühlung als Rekord nach Einschätzung des Forschungsteams. Forschende der Peking-Universität, des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics und des Technology and Engineering Center for Space Utilization der Akademie führten die Arbeiten im Labormodul Mengtian von Tiangong durch.

Der zentrale Schätzwert ist mit einem Unsicherheitsbereich von 7,0 bis 12,9 Pikokelvin angegeben. Die Forschenden berechneten ihn anhand der Geschwindigkeit, mit der sich die Wolke nach ihrer Freisetzung ausbreitete. Die Temperatur bezieht sich auf die Ausdehnungsbewegung der Atome; Gestell, Raumstation und umgebende Ausrüstung arbeiteten bei deutlich höheren Temperaturen.

Sieben Sekunden mögen kurz klingen, doch in einem gewöhnlichen Labor fallen freigesetzte Atome schnell aus dem Blickfeld. In Tiangongs Umgebung konnte sich die Wolke langsam ausdehnen und relativ zur Apparatur schweben. So hatten die Forschenden Zeit, ein Verhalten zu messen, das sich auf der Erde nur schwer verfolgen lässt.

Was bedeuten 9,7 Pikokelvin?

Der absolute Nullpunkt liegt bei null Kelvin, entsprechend minus 273,15 Grad Celsius. Die Kelvin-Skala beginnt an dieser Untergrenze und eignet sich daher zum Vergleich extrem niedriger Temperaturen. Ein Pikokelvin ist ein Billionstel Kelvin.

Die angegebenen 9,7 Pikokelvin sind eine effektive oder äquivalente Temperatur. Die Forschenden fotografierten die expandierende Wolke aus zwei Richtungen, maßen, wie schnell sie sich in drei Dimensionen ausbreitete, und drückten die mit dieser Bewegung verbundene Energie als Temperatur aus. Eine Wolke, die sich langsamer ausdehnt, hat eine niedrigere äquivalente Temperatur.

Die schwache Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist, hat eine Temperatur von etwa 2,7 Kelvin. Teilt man diesen Wert durch 9,7 Billionstel Kelvin, erhält man ungefähr 280 Milliarden. Darauf beruht die Beschreibung der Atomwolke als rund 280 Milliarden Mal kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung.

Der vorherige Bestwert von 38 Pikokelvin liegt etwa beim 3,9-Fachen des neuen zentralen Schätzwerts. Die Experimente verwendeten unterschiedliche Fallen und Kühlverfahren, daher ist der Zahlenvergleich nur näherungsweise möglich. Das Tiangong-Ergebnis wurde bislang nicht unabhängig reproduziert.

Wie Atome sich wie eine einzige Welle verhalten

Die Forschenden bereiteten Rubidium-87 vor, eine bestimmte Form des Elements Rubidium, und erzeugten daraus ein Bose-Einstein-Kondensat. Dieser Zustand, oft als fünfter Aggregatzustand bezeichnet, entsteht, wenn viele Atome denselben Quantenzustand einnehmen und sich kollektiv verhalten.

Satyendra Nath Bose und Albert Einstein entwickelten die theoretischen Grundlagen des Phänomens in den 1920er-Jahren. 1995 erzeugten Forschende erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat in einem verdünnten Atomgas. Solche Kondensate ermöglichen es Physikern heute, Quantenverhalten an Atomansammlungen zu untersuchen, die groß genug sind, um sie abzubilden.

Die Quantenmechanik beschreibt Materie sowohl mit Welleneigenschaften als auch mit Teilcheneigenschaften. In einem Kondensat sind diese Welleneigenschaften über die gesamte Wolke hinweg geordnet. Forschende können dann eine gemeinsame Materiewelle manipulieren, statt Tausende voneinander unabhängige Atombewegungen verfolgen zu müssen.

Kühlung mit Licht und kontrolliertem Entweichen

Das Tiangong-Experiment begann mit etwa 2 Millionen Rubidiumatomen. Gekreuzte Laserstrahlen bildeten eine optische Dipolfalle, in der das Licht die Atome an Ort und Stelle hielt. Durch eine Verringerung der Laserleistung wurde die Falle abgeschwächt, sodass die energiereichsten Atome entweichen konnten.

Dieses Verfahren heißt Verdampfungskühlung. Es folgt demselben allgemeinen Prinzip wie die Abkühlung eines Getränks, wenn dessen energiereichste Moleküle durch Verdunstung entweichen: Die zurückbleibenden Teilchen haben im Durchschnitt weniger Energie.

Vor den abschließenden Kühlstufen bestand die Wolke aus rund 20.000 Atomen bei etwa 3 Nanokelvin. Genauere Angaben zu diesem Zwischenschritt nennen etwa 23.000 Atome bei 3,1 Nanokelvin; rund 89 Prozent befanden sich im gemeinsamen Quantenzustand des Kondensats. Diese Werte beziehen sich auf eine frühere Vorbereitungsphase als die abschließende Messung der Ausdehnung.

Die Mikrogravitation brachte eine eigene Schwierigkeit mit sich. Auf der Erde hilft die Schwerkraft dabei, energiereiche Atome in der Falle zu einem Ausweg zu lenken. Ohne diesen Zug nach unten relativ zur Apparatur wird die Verdampfung weniger effizient. Die Forschenden fügten einen schwachen magnetischen Gradienten hinzu, also ein Magnetfeld, das sich je nach Ort verändert, um energiereiche Atome zu entfernen.

Die verbleibende Wolke wurde in eine größere, schwächere optische Falle überführt. Das abschließende Verfahren verringerte die Einschließung über etwa 1,175 Sekunden und umfasste eine nichtadiabatische Expansion, also eine Änderung der Falle, die die Bewegung der Wolke neu formte. Nach der Freisetzung breiteten sich die Atome mit einer Energie aus, die 9,7 Pikokelvin entspricht.

Warum der Orbit sieben Sekunden ermöglicht

Tiangong steht weiterhin unter dem Einfluss der Erdschwerkraft. Die scheinbare Schwerelosigkeit entsteht durch den dauernden freien Fall um den Planeten: Raumstation, Apparatur und Atome fallen gemeinsam. Forschende bezeichnen diese Umgebung als Mikrogravitation.

Am Boden hat eine sehr schwache Falle Schwierigkeiten, Atome gegen die Schwerkraft festzuhalten. Eine stärkere Einschließung hält sie zwar besser in der Falle, erschwert aber die abschließende Kühlung. Im Orbit können Forschende die Falle deutlich stärker lockern und die Wolke dennoch innerhalb ihres Versuchssystems halten.

Wolfgang Ketterle, Physikprofessor am Massachusetts Institute of Technology und Nobelpreisträger von 2001, erläuterte das praktische Problem einer sieben Sekunden langen Beobachtung auf der Erde:

Auf der Erde würde die Wolke etwa 250 Meter nach unten fallen. Ohne eine 250 Meter hohe Vakuumkammer würde sie also tatsächlich auf dem Boden aufschlagen.

Die sinnvollen Vergleiche hängen von der Apparatur ab. Bei gewöhnlichen Bodenexperimenten, die die Forschenden beschreiben, ließ sich eine freigesetzte Wolke etwa 0,05 Sekunden lang beobachten. Das frühere Experiment mit einem Fallturm erreichte rund zwei Sekunden freie Expansion. Tiangongs sieben Sekunden sind damit etwa 140-mal so lang wie der Wert für ein gewöhnliches Labor und 3,5-mal so lang wie die frühere Beobachtung im Fallturm.

Das Rekordexperiment von 2021 an der Universität Bremen nutzte einen Fallturm, um vorübergehend Schwerelosigkeit herzustellen. Im Orbit steht diese Möglichkeit länger zur Verfügung, weil das Experiment weiter um die Erde fällt, statt den Boden eines Turms zu erreichen.

Ein Labor in einem Schrank

Das Cold Atom Physics Rack hat ein Volumen von etwa 0,7 Kubikmetern und wiegt rund 500 Kilogramm. Sein Gegenstück am Boden nahm etwa 20 Kubikmeter ein und wog rund 10 Tonnen. Das Weltrauminstrument benötigt damit etwa ein Neunundzwanzigstel des Volumens und ein Zwanzigstel der Masse.

Das Gestell vereint Laser, Präzisionsoptik, ein Ultrahochvakuumsystem und automatisierte Steuerungen. Das Vakuum verhindert, dass vereinzelte Gasteilchen mit den ultrakalten Atomen zusammenstoßen. Die Steuerungen halten die sorgfältig abgestimmte Abfolge ein, die zur Vorbereitung und Freisetzung der Wolke nötig ist.

Li Tang, Forscher am Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, beschrieb eine Ausrichtungsaufgabe mit mehr als 20 Laserstrahlen. Sie mussten in einer nur einige Dutzend Mikrometer großen Atomwolke zusammentreffen, wobei die Abweichung höchstens fünf Mikrometer betragen durfte. Ein Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter.

Das Instrument musste außerdem den Start überstehen, innerhalb der Leistungsgrenzen des Raumfahrzeugs arbeiten und im Orbit seine Präzision bewahren. Die Entwicklung dauerte rund 15 Jahre, von den ersten Machbarkeitsuntersuchungen bis zum veröffentlichten Ergebnis.

• 2011: Die erste Bewertung der Weltraumanlage begann.
• 2021: Ein Experiment mit dem Fallturm in Bremen erreichte den vorherigen Bestwert von 38 Pikokelvin.
• 2022: Die chinesische Anlage startete an Bord des Labormoduls Mengtian.
• 5. November 2026: Die Studie des Tiangong-Teams wurde online in Science veröffentlicht.

Längere Beobachtungen könnten Gravitationsmessungen verbessern

Zu den Instrumenten, die von dem Experiment profitieren könnten, zählen Atominterferometer. Sie teilen die Materiewelle eines Atoms in verschiedene Wege auf und führen diese anschließend wieder zusammen. Die dabei entstandenen Unterschiede erzeugen ein Interferenzsignal, das winzige Beschleunigungen oder Gravitationseffekte sichtbar machen kann.

Ernst M. Rasel, Physikprofessor an der Leibniz-Universität Hannover, dessen Team den vorherigen Temperaturrekord aufstellte, beschrieb die Voraussetzungen für solche Messungen:

Atominterferometer profitieren sehr von Quellen, die viele Atome in einem ultrakalten Ensemble und lange Beobachtungszeiten ermöglichen.

Rasel erklärte, dass die Empfindlichkeit mit dem Quadrat der Zeit steigt, die Atome im Interferometer verbringen. Längere Messzeiten können daher einen deutlich größeren Gewinn bringen als eine gleich große proportionale Zunahme der Messzeit allein.

Als nächsten Schritt nannte er ein Interferometer im Orbit, das Atomwellen mehrere Sekunden lang kohärent getrennt hält. Kohärenz bedeutet, dass die Wellen die nötige Beziehung zueinander bewahren, um beim Zusammenführen ein aussagekräftiges Signal zu erzeugen. Die sieben Sekunden Beobachtungszeit der Wolke bieten einen Ausgangspunkt für die Entwicklung dieser Fähigkeit.

Solche Instrumente könnten Veränderungen des Erdschwerefelds messen oder die Messung der Bewegung von Raumfahrzeugen verbessern. Sie könnten außerdem vergleichen, wie unterschiedliche Atomarten fallen, und so das Äquivalenzprinzip prüfen, eine Grundlage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Dieses Prinzip besagt, dass Objekte unter dem Einfluss der Schwerkraft unabhängig von ihrer Masse oder Zusammensetzung gleich fallen, sofern andere Kräfte ausgeschlossen sind.

Laserfallen eröffnen Wege zu weiteren Quantenexperimenten

Das Tiangong-Team entschied sich für optische Fallen statt der magnetischen Atomchip-Fallen, die bei früheren Rekordexperimenten zum Einsatz kamen. Das Festhalten der Atome mit Licht verringert einige Einschränkungen magnetischer Fallen und bietet Platz für komplexere Lasermuster.

Ein optisches Gitter ist eine mögliche Anordnung. Sich kreuzende Laserstrahlen erzeugen ein regelmäßiges Muster, das Atome in einer geordneten, einem Kristall ähnlichen Struktur halten kann. Forschende können diese Struktur verändern und steuern, wie die Atome miteinander wechselwirken.

Dieser Ansatz ermöglicht Quantensimulationen: Dabei wird ein kontrollierbares Quantensystem genutzt, um ein anderes zu untersuchen, das sich schwerer direkt erforschen lässt. Statt jede Wechselwirkung in einem komplizierten Material zu berechnen, können Forschende ein Atommodell aufbauen und dessen Verhalten beobachten.

Die Chinesische Akademie der Wissenschaften nennt auch Untersuchungen zu Dunkle-Materie-Modellen als mögliche Perspektive. Einige Ansätze befassen sich mit hypothetischen ultraleichten Teilchen, deren Effekte sich möglicherweise mit empfindlichen Quantenmessungen aufspüren ließen. Gravitationskartierung, Navigation, Quantensimulationen und die Suche nach Dunkler Materie sind mögliche Anwendungsfelder für die weitere Entwicklung.

Die nächste Herausforderung ist ein praxistaugliches Instrument

Die Peking-Universitäts-Forscher Xiong Wei und Jin Shengjie, gemeinsame Erstautoren der Studie, beschreiben längere Beobachtungen als Möglichkeit, die Chancen auf den Nachweis schwächerer physikalischer Phänomene zu verbessern. Eine kalte und sichtbare Wolke bildet die Grundlage für Experimente, bei denen sie zudem präzise manipuliert werden muss.

Neben der Temperatur ist auch die Zahl der Atome entscheidend. Eine Wolke aus etwa 20.000 Atomen eignet sich zur Untersuchung kollektiven Quantenverhaltens, während viele Präzisionsmessungen von größeren Proben profitieren. Die Forschenden müssen noch herausfinden, wie zuverlässig sich mit der Anlage größere Wolken, eine sehr langsame Ausdehnung und anhaltende Kohärenz kombinieren lassen.

Das optische System bietet dem Team mehrere Stellschrauben: Fallenstärke, Laseranordnung, magnetische Gradienten und Zeitpunkt der Freisetzung. Um daraus ein zuverlässiges Messinstrument zu machen, sind wiederholte Experimente und eine sorgfältige Erfassung von Störungen nötig.

Ketterle bezeichnete die Leistung als „einen hervorragenden Ausgangspunkt, um Atomthermometrie und Präzisionsmessungen voranzubringen“. Der unmittelbare Fortschritt ist konkret: eine sich langsamer ausdehnende Atomwolke, die sieben Sekunden lang in einem im Orbit betriebenen Versuchssystem gemessen wurde.

Wichtige Punkte

• Forschende an Bord von Tiangong meldeten eine äquivalente Atomtemperatur von 9,7 Pikokelvin mit einem Unsicherheitsbereich von 7,0 bis 12,9 Pikokelvin.
• Das Ergebnis beruht auf der Ausdehnung von rund 20.000 Rubidiumatomen, die als Bose-Einstein-Kondensat vorbereitet wurden.
• Der zuvor gemeldete Bestwert lag bei 38 Pikokelvin und wurde in einem deutschen Experiment mit einem Fallturm erreicht.
• Das Team beobachtete die sich frei ausdehnende Wolke sieben Sekunden lang in Mikrogravitation.
• Die Anlage startete 2022 mit Mengtian; die Entwicklungsarbeiten hatten 2011 begonnen.
• Künftige Forschung könnte Atominterferometer, Gravitationsmessungen, Quantensimulationen und Tests grundlegender physikalischer Prinzipien voranbringen.