2023 年 12 月5日
- 歐洲中部時間2023 年12 月2 日上午8:30，MAIUS-2 實驗（失重狀態下的物質波干涉測量）用一枚研究火箭從基律納（瑞典北部）附近的埃斯蘭奇航天中心發射升空。
- 各種實驗研究了失重狀態下玻色愛因斯坦凝聚態的產生。
- 美德原子實驗室玻色愛因斯坦凝聚和冷原子實驗室（BECCAL）也旨在推進所用量子技術的小型化。
- 重點：太空旅行、量子研究、太空條件下的研究
如果科學家想要在國際太空站（ISS）上進行研究，技術必須小而輕，並且經過徹底的測試。但有些實驗非常複雜，以至於小型化成為一個重大挑戰。這也包括所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態（BEK）實驗，其中超冷原子在物質波中「一致振盪」。為了進一步推進這一發展，MAIUS-2 實驗（失重下的物質波干涉測量）將於中歐時間 2023 年 12 月 2 日上午 8:30 在埃斯蘭奇航天中心使用德國宇航公司運營的研究火箭進行中心（DLR）：基律納在瑞典北部發射升空。在飛行過程中大約五分半鐘的失重階段，德國科學家計劃在探空火箭飛行過程中產生幾種玻色-愛因斯坦凝聚體（BEK）混合物，並研究它們在微重力下的行為。
「MAIUS-2 是我們在探空火箭上進行過的最複雜的實驗。我們能夠證明日益小型化的技術基本上可以在太空中發揮作用。” Rebekka Grellmann，德國航太局 DLR的 MAIUS 專案經理。在飛行過程中，證明了銣玻色-愛因斯坦凝聚態的產生，並研究了它們在自由落體中的行為。研究人員也能夠檢查火箭燃燒期間冷原子雲的產生和行為。然而，鉀原子的玻色愛因斯坦凝聚態並沒有照計劃形成。「但我們已經從地面上產生的混合物中學到了很多東西，」博士說。麗貝卡·格雷爾曼繼續說道。「美國太空總署已經在國際太空站上的冷原子實驗室進行研究。未來，將在那裡建立一個改進的實驗室，以深化對超冷和凝聚混合物的研究，並為未來量子感測器的發展做出貢獻。為了使這個名為玻色愛因斯坦凝聚和冷原子實驗室（BECCAL）的美德原子實驗室能夠取得進一步的進展，MAIUS 飛行和實驗室的結果現在正在接受詳細檢查。”
雖然玻色愛因斯坦凝聚體只能在正常重力下自由落體觀測到幾分之一秒，但由於失重，探空火箭在五分半鐘的飛行中觀測時間沒有限制。在此期間，火箭上基本上自主地進行了各種實驗。玻色-愛因斯坦凝聚體（尤其是混合物）的生成極為複雜，需要微調實驗參數。這些必須在微重力階段開始時找到，因為它們與地面上的參數不同。成功製造銣和鉀的超冷混合物後，應使用飛行中獲得的數據來研究其失重狀態下波函數的基態。由於缺乏浮力，不同類型的原子（如水和油）在失重狀態下的混合方式與在地面上的混合方式不同。
兩種類型的原子—許多實驗和技術挑戰
在 MAIUS-2 上，除了超冷銣原子之外，超冷鉀原子現在也應該首次用於研究火箭。但使用兩種不同類型的原子給團隊帶來了重大的技術挑戰：要從兩種不同類型的原子產生玻色-愛因斯坦凝聚體，需要兩倍數量的雷射器，因此需要更多的電子設備，即更複雜的有效載荷結構的質量和體積幾乎恆定。除了技術挑戰之外，還有實驗挑戰，因為混合物的創建絕非微不足道。但是，如何在如此小的裝置中實際產生玻色愛因斯坦凝聚態呢？
原子被困
如果你想創造玻色-愛因斯坦凝聚態，原子的運動必須減少到最低限度。為此，銣和鉀原子雲必須冷卻至接近攝氏 -273 度。在兩階段過程中，原子首先在微型雷射的幫助下減慢速度——因為原子在氣體中移動越快，它們的溫度就越高。雷射脈衝使原子減慢並消除它們的能量。然而，雷射冷卻的這一原理永遠無法完全減慢原子的速度：僅靠這一點無法足夠接近絕對零度。
能量簡直被“吹走了”
雷射冷卻後，第二階段的溫降在所謂的磁阱中開始。為此，粒子被放置在原子陷阱中，無法逃脫。為此，在原子晶片上產生磁場。磁約束可以想像為陷阱的「牆」。然後使用微波選擇性地去除速度最快的原子，平均留下較冷的雲。這種方法類似於故意冷卻杯中的咖啡：如果讓熱飲靜置，它的冷卻速度相對較慢。然而，如果您專門透過吹氣去除上升的蒸氣（即到達 BEK 的過程中剩餘的高能量氣體原子），則熱飲冷卻得更快。這種所謂的蒸發冷卻可以使溫度接近絕對零度——這是觀察 BEK 的理想條件。以這種方式產生的超冷原子可用於研究它們的基態及其相互作用，並為物質波干涉測量提供理想的條件。
雖然研究人員成功地用銣原子製造了玻色愛因斯坦凝聚體，但用於產生鉀 BEK 的雷射出現了問題，因此無法捕獲鉀原子。目前正在對問題的原因進行詳細調查，以改善未來任務的設計。
隨後將在太空中進行冷原子和原子乾涉儀的進一步實驗
銣 BEK 測量的準確結果以及有關所用技術的知識對於未來國際太空站或衛星上的進一步火箭實驗和任務非常重要，以便在原子乾涉儀的幫助下實現以前無法達到的精度。空間。借助 BECCAL，除其他外，將透過干涉測量法比較兩種類型原子的玻色-愛因斯坦凝聚態的下落速度。這是為了測試愛因斯坦相對論中指出真空中所有質量以相同速度下落的部分——即所謂的等效原理。如果這個假設被駁倒，相對論將不再完全有效。
用於絕對零度溫度研究的軟體
德國航太中心軟體技術研究所與德國航太中心衛星大地測量和慣性感測器研究所一起提供了用於準備和實施量子氣體實驗的軟體。在專門開發的程式的幫助下，物理學家最初能夠將各個實驗序列傳輸到機載電腦上，而無需任何深入的程式設計知識。在實驗過程中，機載電腦上的飛行軟體負責各種任務：配置實驗序列、執行實驗序列、收集、儲存資料並將資料傳輸到地面站。它還在飛行過程中控制相機等特殊硬體組件。
沒有火箭－沒有研究
德國太空中心太空飛行操作和太空人訓練設施的移動火箭基地（MORABA）負責執行高空研究任務。除了探空火箭系統外，這還包括有效載荷支援系統，例如用於失重階段或飛行結束時恢復的姿態控制，以及火箭的服務系統。
德國研究協會實現使命
MAIUS-2 計畫由德國太空總署 DLR 負責協調，並由聯邦經濟事務和氣候保護部 (BMWK) 提供資助。MAIUS-2 聯盟由不萊梅大學領導。科學管理由漢諾威大學、柏林洪堡大學、柏林費迪南德·布勞恩研究所、不來梅大學應用太空技術和微重力中心（ZARM） 、美因茨約翰內斯·古騰堡大學聯合進行、漢堡大學、烏爾姆大學和達姆施塔特工業大學。該研究網絡還包括不來梅的德國航太中心太空系統研究所、德國航太中心軟體技術研究所和德國航太中心移動火箭基地（MORABA），後者也正在進行發射活動。
作為 QUANTUS 聯合計畫的一部分，德國航太局自 2004 年以來一直支持失重狀態下玻色愛因斯坦凝聚態的生成和物質波干涉測量。作為這筆資金的一部分，QUANTUS 團隊於 2007 年首次在不來梅的 ZARM 落塔中成功地在失重狀態下生產了 BEK。QUANTUS 的全球認可研究為MAIUS和冷原子實驗室 (CAL) 開展了重要的開創性工作。QUANTUS 仍然是準備進一步任務的重要先驅，例如 BECCAL 或歐洲重力場測量探路者任務 CARIOQA，無論是在落塔還是探空火箭上。
[照片]
(A) 啟動 MAIUS-2
2023 年 12 月 2 日歐洲中部時間上午 8:30，MAIUS-2 實驗用一枚研究火箭從瑞典北部基律納附近的埃斯蘭奇航天中心發射升空。
(B) MAIUS-2 隊在火箭前面
MAIUS-2 團隊的部分人員在發射前三週左右出發前往基律納（瑞典北部），為火箭的發射做準備。整個MAIUS-2 團隊由來自柏林大學（洪堡大學）、不來梅大學（應用太空技術和微重力中心；ZARM）、達姆施塔特大學（技術大學）、漢堡大學、漢諾威大學、美因茨大學和烏爾姆大學的科學家和工程師組成。柏林費迪南德·布勞恩研究所。該研究網絡還包括位於不來梅的德國航太中心太空系統研究所、位於布倫瑞克的德國航太中心模擬和軟體技術設施以及也在進行發射活動的德國航太中心移動火箭基地（MORABA）。
(C) MAIUS-2 任務的有效載荷
MAIUS-2 任務的有效載荷在發射前必須進行廣泛的測試。 這發生在基律納航太港（瑞典北部）有效載荷大廳大約三週的準備期間。
(D) MAIUS-2 酬載與 MORABA 系統結合在一起
MAIUS-2 的有效載荷幾乎有五公尺高。 在有效載荷整合大廳中，它與包括服務模組在內的 MORABA 火箭尖端合併。 降落傘也折疊到火箭的尖端，將儀器安全地帶回地球。
(E) 測試 MAIUS-2 實驗
在MAIUS-2火箭發射升空之前，進行了許多測試。其中之一是用銣製造玻色愛因斯坦凝聚體 (BEK) 的測試（如圖）。BEK 鉀的生產在推出前也進行了測試。