Materiewelleninterferenzen im Weltraum

Hochpräzise Atominterferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten hat das Potential Tests fundamentaler Physik mit bisher unerreichter Genauigkeit durchzuführen, sowie die Entwicklung neuartiger Sensoren für die Erdbeobachtung zu initiieren. Insbesondere schaffen Messungen mit Atominterferometern im Weltraum den Rahmen für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, der Suche nach dunkler Energie, satellitengestützter Erdbeobachtung und der Detektion von Gravitationswellen in einem auf der Erde nicht erreichbaren Regime. Die technischen Ansprüche einer Weltraummission unterscheiden sich grundlegend von denen eines Laboraufbaus. Neben einer Optimierung bezüglich der Masse, der Leistungsaufnahme und des Volumens muss die Apparatur autonom und wartungsfrei arbeiten, sowie robust gegen Vibrationen und Beschleunigungen während des Aufstiegs und Wiedereintritts in die Atmosphäre sein. Mit der MAIUS-1 Mission ist es am 23.01.2017 zum ersten Mal gelungen Bose- Einstein-Kondensate im Weltraum zu erzeugen. Erstmals wurde eine solche Apparatur an Bord einer Höhenforschungsrakete betrieben und hat Schlüsselmethoden für präzise Materiewelleninterferometrie demonstriert. In den insgesamt 13 Minuten des Parabelfluges befand sich die Nutzlast sechs Minuten lang über bei einer Höhe von 100km unter Mikrogravitationsbedingungen. Während des Starts und Aufstiegs konnten für eine Minute Experimente zum Kühlen und Fangen kalter atomarer Ensembles in dieser hochdynamischen Umgebung durchgeführt werden. In der Mikrogravitationsphase wurde der Phasenübergang zum Bose-Einstein- Kondensat mit mehr als 105 Rubidiumatomen untersucht. Die Präparation der ultrakalten Ensembles für die Interferometrie wurde charakterisiert und autonom vom System optimiert, wobei sich die Reproduzierbarkeit aller Prozesse zur Kühlung zeigte. Des Weiteren wurden Zwei-Photonen-Prozesse genutzt, um die Materiewelle in die Superposition von Impulszuständen zu überführen und zur Interferenz zu bringen. Somit konnte die Kohärenz über die gesamte Ausdehnung der Kondensate nachgewiesen werden. Mit jeder Licht-Materie-Wechselwirkung wurde eine zusätzliche Phasenmodulation auf die Materiewelle aufgeprägt. Diese Struktur wurde nach einer freien Evolutionszeit in der räumlichen Dichteverteilung sichtbar und konnte für weitere Analysen verschiedener Spinorkomponenten des Ensembles verwendet werden. Die Erkenntnisse zur Präparation der ultrakalten Ensembles und zur Interferometrie im Weltraum wie auch die entwickelten Technologien ermöglichen künftige Missionen.DLR/QUANTUS/50WP1431/E

A Dual-Species Atom Interferometer Payload for Operation on Sounding Rockets

We report on the design and the construction of a sounding rocket payload capable of performing atom interferometry with Bose-Einstein condensates of 41 K and 87 Rb. The apparatus is designed to be launched in two consecutive missions with a VSB-30 sounding rocket and is qualified to withstand the expected vibrational loads of 1.8 g root-mean-square in a frequency range between 20–2000 Hz and the expected static loads during ascent and re-entry of 25 g. We present a modular design of the scientific payload comprising a physics package, a laser system, an electronics system and a battery module. A dedicated on-board software provides a largely automated process of predefined experiments. To operate the payload safely in laboratory and flight mode, a thermal control system and ground support equipment has been implemented and will be presented. The payload presented here represents a cornerstone for future applications of matter wave interferometry with ultracold atoms on satellites

The MAIUS Sounding Rocket Missions – Recent Results, Lessons Learned and Future Activities

The QUANTUS consortium started activities to perform atom interferometry on a sounding rocket in the year 2011. Three sounding rocket missions (MAIUS-1 to 3) have been planned to demonstrate Bose-Einstein condensation and atom interferometry with rubidium and potassium atoms. Two different payloads MAIUS-A and MAIUS-B are being designed, qualified and integrated in the time frame from 2011 until 2020. The MAIUS-A scientific payload demonstrated the first Bose-Einstein Condensates in Space in the challenging environment aboard a two-staged VSB-30 sounding rocket on the 23rd of January 2017. In order to achieve this ambitious scientific goal the experiment used various sensitive instruments imposing strong requirements on the thermal and mechanical design of the scientific payload. This paper gives a summary of the MAIUS-A and MAIUS-B scientific payload design. Furthermore, the lessons learned from the MAIUS-1 maiden flight as well as the integration and testing activities and their impact on the MAIUS-B scientific payload design are presented. The paper closes with an outlook on future atom interferometry payloads on sounding rockets and beyond

A Dual-Species Atom Interferometer Payload for Operation on Sounding Rockets

We report on the design and the construction of a sounding rocket payload capable of performing atom interferometry with Bose-Einstein condensates of K and Rb. The apparatus is designed to be launched in two consecutive missions with a VSB-30 sounding rocket and is qualified to withstand the expected vibrational loads of 1.8 g root-mean-square in a frequency range between 20-2000 Hz and the expected static loads during ascent and re-entry of 25 g. We present a modular design of the scientific payload comprising a physics package, a laser system, an electronics system and a battery module. A dedicated on-board software provides a largely automated process of predefined experiments. To operate the payload safely in laboratory and flight mode, a thermal control system and ground support equipment has been implemented and will be presented. The payload presented here represents a cornerstone for future applications of matter wave interferometry with ultracold atoms on satellites