Chinas Raumstation beherbergt die kälteste je hergestellte Materie

In einem Labor, das die Erde in rund 400 Kilometern Höhe umkreist, wurde eine kleine Wolke aus Rubidiumatomen auf 9,7 Pikokelvin abgekühlt. Das ist etwa 14 Größenordnungen kälter als Raumtemperatur und kälter als jedes andere je gemessene künstliche Material. Das Ergebnis, erzielt an Bord der chinesischen Raumstation, hat Aufmerksamkeit weit über physikalische Fachzeitschriften hinaus erregt – zum Teil, weil die Zahl so schwer vorstellbar ist, und zum Teil, weil das Experiment nur im Orbit möglich war.

Zum Maßstab: Ein Pikokelvin ist ein Billionstel Kelvin. Bei 9,7 Pikokelvin bewegen sich die Atome kaum noch. Im Experiment brauchte eine Wolke aus Rubidiumatomen sieben Sekunden, um etwa 500 Mikrometer zurückzulegen – ungefähr die Breite eines menschlichen Haares –, ein Tempo, das wie Zeitlupe wirkt, aber einfach dem realen Zustand der Atomwolke nahe dem absoluten Nullpunkt entspricht.

Warum dafür ins All gehen? Auf der Erde zieht die Schwerkraft an jeder gefangenen Atomwolke, sodass Forscher ihre magnetischen oder optischen Fallen abschalten und die Atome fallen lassen müssen, während sie sie beobachten. Das gibt ihnen einen Bruchteil einer Sekunde, bevor die Wolke aus dem Blickfeld fällt. In der Mikrogravitation schwebt die Wolke. Das chinesische Team konnte sie Sekunden statt Millisekunden lang beobachten – nur deshalb ist die Driftmessung überhaupt möglich.

Kalte Atome sind nicht nur eine Kuriosität. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt werden Quanteneffekte im makroskopischen Maßstab sichtbar: Atome verhalten sich wie Wellen, und Interferenzmuster lassen sich mit außerordentlicher Präzision messen. Solche Systeme bilden die Grundlage für einige der genauesten Atomuhren der Welt, für empfindliche Sensoren für Gravitation und Magnetfelder sowie für Plattformen zur Prüfung der fundamentalen Physik. Ein längeres Beobachtungsfenster im Weltraum könnte diese Messungen schärfer machen.

Das Experiment ist Teil eines breiteren Vorstoßs in der Forschung mit kalten Atomen. Laboratorien in Europa und den USA haben ultrakalte Gase am Boden und auf Höhenforschungsraketen erzeugt, und das Cold Atom Lab auf der Internationalen Raumstation läuft seit 2018. Das chinesische Ergebnis, als kälteste bekannte künstliche Materie angekündigt, setzt einen neuen Maßstab in diesem internationalen Bemühen. Die Forscher des Projekts haben erklärt, es gehe nicht um einen Rekord um seiner selbst willen, sondern um eine stabile Plattform für wiederholte Experimente.

Für normale Leser ist der praktische Nutzen nicht unmittelbar. Ultrakalte Atome dürften so bald nicht in Verbrauchergeräten auftauchen. Doch die Technologien, die sie ermöglichen – bessere Uhren für die Navigation, empfindlichere Instrumente zur Kartierung unterirdischer Strukturen und Tests, wie sich Materie an der Quantengrenze verhält –, kommen meist leise, eingebettet in Systeme, die bereits auf präzise Zeitmessung und Sensorik angewiesen sind.

Das Team hinter der Arbeit beschreibt die nächsten Schritte als Verbesserung der Stabilität der kalten Wolke und Verlängerung der Beobachtungszeit, was empfindlichere Messungen ermöglichen würde. Während weltraumgestützte Quantenexperimente reifen, verschiebt sich die Frage von der, ob solche extremen Temperaturen erreichbar sind, hin zu der, was sich mit ihnen anfangen lässt, wenn sie Routine sind.