Das Finden einer universellen Theorie der physikalischen Grundkräfte stellt einen großen Teil der Anstrengungen der fundamentalen Physik im letzten Jahrzehnt dar. Das Standartmodell der Teilchenphysik scheint mit Einsteins Relativitätstheorie fundamental unvereinbar. Einen möglichen Ansatz, beide Theorien zu vereinigen stellt die String Theorie da. Diese erlaubt allerdings neue kräftewelche zu einer Verletzung derUniversalität des freien Falls führen können. DieUniversalität des freien falls kann beispielsweise mittels lunar Laser ranging oder Torsionswaagen, aber auch mit Atominterferometern getestet werden. Letztere sind unabhängig von Imperfektionen mechanischer Fertigung der getestetenMassen und sie verwenden quantenmechanische Testmassen. Die Sensitivität eines sochen Atominterferometers hängt stark von der freien Entwicklungszeit eines kohärent geteilten atomaren Ensembles ab. Diese wiederumkann vergrößertwerden, indem dieProbezumSchweben gebracht wird, indem man den Testapparat vergrößert oder indem der Test inMikrogravitation durchgeführt wird. Diese Arbeit fokussiert sich auf den letzteren Ansatz und darauf wie man ein Elektroniksystem, welches in der Lage ist einAtominterferometer autonom auf der Höhenforschungsraketenmission MAIUS-2, ohne menschliches eingreifen zu steuern, bauen kann. DieHerausforderungenwelche die experimentelleUmgebung der Höhenforschungsrakete an das Elektroniksystem stellt, werden in dieser Arbeit diskutiert. MiniaturisierteElektronikkomponenten, welche für ein solchesExperiment nötig sind, wie Stromtreiber, Mikrowellen quellenundrauscharmeSpannungsquellen,welche mit Laboraufbauten konkurrieren können, werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Schlüsselparameter für das Design solcher Komponenten werden, einerseits von den Anforderungen der Höhenforschungsrakte und andererseits denen des Experimentes hergeleitet. Dies stellt immer eine Gradwanderung zwischen Miniaturisierung und der best möglichen Performance desGeräts da, für diese hier ein Leitfaden geschaffen wird. Diese Arbeit baut auf den Erfolgen der MAIUS-1 Mission auf, welche 2017 das erste Rubidium 87 Bose-Einstein-Condensate (BEC) imWeltraum erzeugt hat, und erweitert deren Möglichkeiten um eine zweite atomare Spezies: Kalium. Dabei ändern sichMasse und Größe des Elektroniksystems und des experimentellen Aufbaus nicht wesentlich. Das komplette hierfür entwickelte Elektroniksystem wird in dieser Arbeit vorgestellt. Dabei wird verstärkt ein Augenmerk auf das System zur Mikrowellenevaporation von Rubidium und Kalium gelegt. Ein weiter Fokus wird die Untersuchung der Empfindlichkeit des Experimentes gegenüber Störungen in den Strömen desAtom Chips sein um obere Schranken für die Rauschintensität zukünftiger Komponenten festlegen zu können. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Atominterferometer Experimente imWeltraum, indem ein Anforderungskatalog für miniaturisierte, präzisionsmesstechnische elektronische Systeme, solcher Apparate erstellt wird.
Das Finden einer universellen Theorie der physikalischen Grundkräfte stellt einen großen Teil der Anstrengungen der fundamentalen Physik im letzten Jahrzehnt dar. Das Standartmodell der Teilchenphysik scheint mit Einsteins Relativitätstheorie fundamental unvereinbar. Einen möglichen Ansatz, beide Theorien zu vereinigen stellt die String Theorie da. Diese erlaubt allerdings neue kräftewelche zu einer Verletzung derUniversalität des freien Falls führen können. DieUniversalität des freien falls kann beispielsweise mittels lunar Laser ranging oder Torsionswaagen, aber auch mit Atominterferometern getestet werden. Letztere sind unabhängig von Imperfektionen mechanischer Fertigung der getestetenMassen und sie verwenden quantenmechanische Testmassen. Die Sensitivität eines sochen Atominterferometers hängt stark von der freien Entwicklungszeit eines kohärent geteilten atomaren Ensembles ab. Diese wiederumkann vergrößertwerden, indem dieProbezumSchweben gebracht wird, indem man den Testapparat vergrößert oder indem der Test inMikrogravitation durchgeführt wird. Diese Arbeit fokussiert sich auf den letzteren Ansatz und darauf wie man ein Elektroniksystem, welches in der Lage ist einAtominterferometer autonom auf der Höhenforschungsraketenmission MAIUS-2, ohne menschliches eingreifen zu steuern, bauen kann. DieHerausforderungenwelche die experimentelleUmgebung der Höhenforschungsrakete an das Elektroniksystem stellt, werden in dieser Arbeit diskutiert. MiniaturisierteElektronikkomponenten, welche für ein solchesExperiment nötig sind, wie Stromtreiber, Mikrowellen quellenundrauscharmeSpannungsquellen,welche mit Laboraufbauten konkurrieren können, werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt. Schlüsselparameter für das Design solcher Komponenten werden, einerseits von den Anforderungen der Höhenforschungsrakte und andererseits denen des Experimentes hergeleitet. Dies stellt immer eine Gradwanderung zwischen Miniaturisierung und der best möglichen Performance desGeräts da, für diese hier ein Leitfaden geschaffen wird. Diese Arbeit baut auf den Erfolgen der MAIUS-1 Mission auf, welche 2017 das erste Rubidium 87 Bose-Einstein-Condensate (BEC) imWeltraum erzeugt hat, und erweitert deren Möglichkeiten um eine zweite atomare Spezies: Kalium. Dabei ändern sichMasse und Größe des Elektroniksystems und des experimentellen Aufbaus nicht wesentlich. Das komplette hierfür entwickelte Elektroniksystem wird in dieser Arbeit vorgestellt. Dabei wird verstärkt ein Augenmerk auf das System zur Mikrowellenevaporation von Rubidium und Kalium gelegt. Ein weiter Fokus wird die Untersuchung der Empfindlichkeit des Experimentes gegenüber Störungen in den Strömen desAtom Chips sein um obere Schranken für die Rauschintensität zukünftiger Komponenten festlegen zu können. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Atominterferometer Experimente imWeltraum, indem ein Anforderungskatalog für miniaturisierte, präzisionsmesstechnische elektronische Systeme, solcher Apparate erstellt wird.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Apparatur zur Erzeugung ultrakalter Materie, die für den Einsatz an Bord einer Höhenforschungsrakete konzipiert ist und Experimente mit quantenentarteten Gemischen von Alkalimetallatomen in bis zu sechs Minuten freien Fall für ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Lasersystemmodul der wissenschaftlichen Nutzlast MAIUS-B, das im Rahmen der QUANTUS-Kollaboration entwickelt wurde. Das implementierte Lasersystem ermöglicht die optische Kühlung von Rubidium-87- und Kalium-41-Atomen zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten durch Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle. Der Aufbau umfasst zehn integrierte Laser, die Licht für magneto-optisches Einfangen, optische Molasse, Atomabfrage, Quantenzustandspräparation und Atominterferometrie liefern. Das Design kombiniert dazu faseroptische Module mit Freiraum-Strahlführung. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen während des Raketenflugs erforderte das System eine hohe mechanische Stabilität und einen hohen Automatisierungsgrad. Die Steuerungssoftware führte kritische Aufgaben wie die Laserstabilisierung autonom aus und minimierte so den Bedarf an menschlichem Eingreifen während des Flugs. Die MAIUS-B-Nutzlast kam während der MAIUS-2-Sondierungsraketenmission zum Einsatz, deren Ziel es war, ultrakalte Gemische beider Atomarten in der Mikrogravitation zu erzeugen. Während der Mission trat bei einem der Kaliumlaser eine Anomalie auf. Diese Arbeit enthält daher eine detaillierte Analyse der Telemetriedaten und der Tests nach dem Flug, die die Identifizierung des Problems ermöglichten. Im Anschluss an die Mission wurde die Apparatur für den Betrieb in der Einstein-Elevator-Anlage in Hannover angepasst, wo es im Rahmen von Freifallversuchen erfolgreich die angestrebten quantenentarteten Gemische erzeugte.
Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten.
Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzission experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Selbst Prozesse in denen die Quantenmechanik ihre Anwedung findet und die Gravitation klassisch beschrieben wird, wurden noch nicht im Labor überprüft. Diese Arbeit untersucht verschiedene Möglichkeiten, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Niveau einzelner Photonen zu testen. Diese Quantensysteme prüfen sowohl den Einfluss von gravitativen als auch nicht-inertialen Bewegungen auf Interferenz-Effekte durch den Einsatz verschiedener Interferometer deren Arme verschiedenen gravitativen und zentripetalen Potentialen unterliegen. Diese Potentialunterschiede erlauben es, je nach experimenteller Anordnung, das Äquivalenzprinzip zwischen träger/schwerer Masse und Energie zu überprüfen, was den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Zu diesem Zweck werden, nach einer kurzen Einleitung in die benötigten Grundlagen, die Eigenschaften und experimentellen Beschränkungen von optischen Lichtwellenleitern studiert, welche als Arme der Interferometer fungieren. Es wird gezeigt, dass sich Michelson Interferometer bestens zur Untersuchung von Trägheitseffekten von Einzelphotonen eignen, während sie sich für den Nachweis gravitativ induziierter Phasenschübe als nicht vorteilhaft erweisen. Weiters werden verschiedene Anordnungen eines Mach-Zehnder Interferometers zur Erforschung der Äquivalenz von Energie und träger/schwerer Masse studiert und die experimentellen Beschränkungen aufgezeigt. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist es aufgrund technischer Einschränkungen überaus schwierig Phasenschübe durch gravitativen Einfluss auf die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens nachzuweisen. Weisen die Arme eines Interferometers jedoch unterschiedliche Gravitations- und/oder Zentripetalpotentiale auf, so ist es im Rahmen heutiger technologischer Standards möglich die Masse-Energie Äquivalenz zu testen. Solche Tests können einen ausgezeichneten Leitfaden für Experimente darstellen, welche allgemein relativistische Effekte auf einzelne Quantensysteme nachweisen wollen, die im Rahmen der klassichen Gravitationstheorie nicht erklärt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.
Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen.
Ultrakalte Gase dienen seit den Achtzigerjahren der Erforschung neuartiger physikalischer Phänomene, in deren Rahmen zum Beispiel erstmals die Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate sowie die quantenentarteter Fermi-Gase gelang. Anfangs konnten diese Zustände ausschließlich mit Alkaliatomen erreicht werden. Erst im vergangenen Jahrzehnt gelang es auch Atome mit komplexerer innerer Struktur zu kondensieren, die teilweise einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand aufweisen, wie etwa die Lanthanoide Erbium und Dysprosium. Ultrakalte Gase aus solchen Atomen lassen sich auf neue Art und Weise mit Laserlicht fern verstimmter Frequenz manipulieren. Weiterhin weisen sie einen starken dipolaren Charakter auf, welcher die Wechselwirkungen im ultrakalten Gas dominiert und damit zu neuen Wechselwirkungsphänomenen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen im Potential einer extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten quasi-elektrostatischen Dipolfalle erzeugt. Zentraler Teil dieser Arbeit war die Realisierung eines effizienten Umladeprozesses aus der magnetooptischen Falle in die quasi-elektrostatischen Dipolfalle, in welcher eine weitere evaporative Kühlung des Bose-Gases bis in den Bereich der Quantenentartung erfolgte. Da sich das Bose-Einstein-Kondensat nur in sehr reinen Ultrahochvakuumatmosphären beobachten lässt, wurde in einem ersten Schritt ein Vakuumsystem konstruiert und aufgebaut, welches aus einer Effusionszelle, einem Zeeman-Kühler und einer Hauptkammer besteht. Mit Hilfe der Effusionszelle wird ein Atomstrahl produziert und nach deren Verlassen, mit Hilfe des Kühlübergangs bei 400,91 nm transversal gekühlt und kollimiert. Longitudinal wird der Atomstrahl mit Hilfe eines Zeeman- Kühlers abgebremst, der ebenfalls den Kühlübergang bei 400,91 nm nutzt. Aus dem Atomstrahl wird eine magnetooptische Falle geladen, die mit Licht der Wellenlänge 582,84 nm betrieben wird. Die in der magnetooptischen Falle gefangenen Atome werden zur weiteren Abkühlung in ein quasi-elektrostatisches Dipolfallenpotential umgeladen, welches durch den fokussierten Laserstrahl eines CO2 -Lasers der Wellen- länge 10,6 μm gebildet wird. Mit Hilfe der darauf folgenden Evaporationsphase konnte die Phasenraumdichte über den kritischen Wert für den Phasenübergang erhöht und die Herausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen beobachtet werden. Das Bose-Einstein-Kondensat beinhaltet etwa 3 · 10^4 Erbiumatome und hat eine Lebensdauer von etwa 8 s. Eine Perspektive der hier gewonnenen Ergebnisse ist die Erzeugung neuartiger Quantenzustände von Materie, sowie zum Beispiel die Untersuchung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts in extrem starken künstlichen Magnetfeldern induziert durch weit verstimmte optische Raman-Lichtfelder.