Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein extremer Aggregatzustand der Materie, in dem sich die Atome einer ultra-kalten Gaswolke in einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand befinden. Dieses Ensemble ultra-kalter Atome wird durch eine räumlich ausgedehnte Materiewelle beschrieben, mit der Interferenzexperimente durchgeführt werden, die eine gewisse Ähnlichkeit mit optischen Interferenzexperimenten besitzen.

An Bord der Höhenforschungsrakete der MAIUS-2-Mission, die am 2. Dezember 2023 von Kiruna in Schweden aus gestartet ist, wurden in rund 75 Experimenten Gemische aus Bose-Einstein-Kondensaten untersucht, die auf Rubidium- und Kalium-Atomen basieren. Über die Flugzeit von fünfeinhalb Minuten in Schwerelosigkeit können mit den Bose-Einstein-Kondensaten Beschleunigungen und Kräfte sowie die Wechselwirkung zwischen den Atomen der Kondensate hochgenau gemessen werden. Die Schwerelosigkeit erlaubt es, besonders tiefe, auf der Erde unerreichbare Temperaturen zu realisieren. Davon versprechen sich die Forschenden unter anderem ein tieferes Verständnis der grundlegenden Naturkräfte. Auch für die Navigation von künftigen Raumsonden bieten weltraumgestützte Atominterferometer vielversprechende Ansätze.

Um derartige Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen, werden die Atome zunächst mit Lasern und Magnetfeldern abgekühlt und gefangen. Aus einer sogenannten Magnetfalle werden anschließend die energiereichsten Atome durch das Einstrahlen von Mikrowellen entfernt. Hierdurch werden sie unterhalb der kritischen Temperatur von einigen hundert Nanokelvin abgekühlt und ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht. Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat die für die Experimente im Verbundprojekt Quantus IV – MAIUS (Maius-II) benötigten Laserquellen entwickelt und realisiert. Mit ihrem Laserlicht lassen sich die atomaren Spezies Rubidium und Kalium kohärent manipulieren und detektieren.

Insgesamt hat das FBH zehn ECDL-MOPA-Lasermodule mit Emissionswellenlängen von 767 nm, 780 nm und 1064 nm für die Mission geliefert. ECDL-MOPAs – Extended Cavity Diode Laser - Master Oscillator Power Amplifier – sind Diodenlasermodule mit erweitertem Resonator, bei denen sich die Eigenschaften der Laserpulse durch den Master-Oszillator mit Leistungsverstärker (Power Amplifier) optimal kontrollieren lassen. Diese Module basieren auf der umfassenden Expertise des FBH in der Halbleitertechnologie, der einzigartigen Mikrointegrationstechnik und dem Know-how des Instituts bei der Fertigung für die Raumfahrt.

Durch die hohe optische Leistung, die exzellente spektrale Stabilität und ein äußerst geringes "SWaP-Budget" – das steht für size, weight and power, also Größe, Gewicht und elektrischer Leistung – ermöglichen diese Lasermodule hochkomplexe quantenphysikalische Experimente auf engstem Raum. Darüber hinaus hat das FBH für die Mission zwei weitere Distributed Feedback (DFB)-Lasermodule gefertigt. Sie dienen als Frequenzreferenz, wobei eines der Module auf den Rubidium-Übergang und das andere auf den Kalium-Übergang frequenzgelockt ist. Die Module basieren auf der Technologie-Plattform, die bereits bei der Vorgängermission MAIUS-I eingesetzt und mit der erstmals erfolgreich ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt wurde.