Physiker haben ein Gerät zur Erzeugung ultrakalter Atome gedruckt: Jetzt werden Quantenexperimente zugänglicher

Die Entwicklung der Wissenschaftler eröffnet den Zugang zu einer schnelleren und bequemeren Möglichkeit, kleine, größere Dinge zu schaffen

stabile, anpassbare Installationen fürQuantenexperimente.  Heute nutzen Physiker Laserlicht und Magnete, um ultrakalte Atome zu synthetisieren. Und die so entstehenden Atome werden beispielsweise genutzt, um selbst schwächste Magnetfelder zu identifizieren oder Uhren mit einer Genauigkeit von bis zu einer Billiardstel Sekunde zu erstellen.  Daher versuchen Physiker seit langem, Geräte mit ultrakalten Atomen in verschiedenen Bereichen einzusetzen, von der Weltraumforschung, wo sie die Navigation unterstützen können, bis hin zur Hydrologie, wo sie die Position des Grundwassers durch die Erfassung seiner Schwerkraft lokalisieren können. Doch der Prozess, Atome ausreichend abzukühlen, um diese Aufgaben zu erfüllen, ist oft komplex und schwierig.

Der Schlüssel zur Kühlung und Kontrolle von Atomen istSie treffen sie mit präzise abgestimmtem Laserlicht. Heiße Atome bewegen sich mit Geschwindigkeiten von Hunderten von Kilometern pro Stunde, während extrem kalte Atome nahezu bewegungslos sind. Physiker stellen sicher, dass jedes Mal, wenn ein Laserstrahl auf ein warmes Atom trifft, das Licht so auf das Atom trifft, dass es etwas Energie verliert, langsamer wird und kühler wird. Typischerweise arbeiten Wissenschaftler an einem Labortisch mit einer Länge von 1,5 m pro    2,5 m, auf dem ein „Labyrinth“ aus Spiegeln und Linsen installiert ist – optische Komponenten, die das Licht steuern. Um zu kontrollieren, wo sich alle ultrakalten Atome in dieser Kammer befinden, verwenden Physiker Magnete: Ihre Felder wirken wie „Zäune“.

Im Vergleich zu Teilchenbeschleunigern mit einer Länge vonwenige Kilometer oder große Teleskope, diese Versuchsanlagen sind klein. Sie sind jedoch zu groß und zu zerbrechlich, um außerhalb akademischer Labore kommerzialisiert und angewendet zu werden. Physiker verbringen oft Monate damit, jedes noch so kleine Element in ihren optischen Labyrinthen auszurichten. Selbst kleinste Erschütterungen von Spiegeln und Linsen, die im Feld vorkommen können, führen zu erheblichen Verzögerungen. Also wandten sich die Nottingham-Forscher dem 3D-Druck zu.

Die Installation von Physikern nimmt weniger als 0,15 Volumen einKubikmeter, was etwas größer ist als ein Stapel von 10 großen Pizzakartons. „Das ist sehr, sehr klein. Wir haben die Größe im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau um etwa 70 % reduziert“, sagt Somaya Madkhali, eine Doktorandin aus Nottingham und Erstautorin der Studie. Um es zu bauen, bauten sie und ihre Kollegen ihr Setup aus Blöcken zusammen, die sie in 3D gedruckt hatten. Anstatt die Vakuumkammer aus starken, aber schweren Metallen herzustellen, druckte das Team sie aus einer leichteren Aluminiumlegierung. Und sie steckten die Linsen und Spiegel in eine Halterung, die sie ebenfalls aus Polymer druckten.

Miniatur-Setup erfolgreich erhaltenhat funktioniert. Das Team lud 200 Millionen Rubidiumatome in ihre Vakuumkammer und schickte Laserlicht durch alle Komponenten der Optik, wodurch das Licht mit den Atomen kollidierte. Die Atome bildeten eine Probe mit Temperaturen von bis zu -267 ° C - so wie es Wissenschaftler in den letzten 30 Jahren mit traditionelleren Instrumenten getan haben.

Der große Vorteil des 3D-Drucksist, dass Wissenschaftler jede Komponente individuell konstruieren können. Daher ist die neue Forschung ein Schritt vorwärts, um dieses physikalische Grundlagenforschungsinstrument zugänglicher und kommerziell verfügbarer zu machen. Physiker spekulieren, dass solche Instrumente außerhalb der akademischen Welt eingesetzt werden, beispielsweise von Unternehmen, die Quantensensoren herstellen, die magnetische oder Gravitationsfelder erfassen.

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