UM EINIGE ZU FINDEN Da es sich um eines der kältesten Objekte im Universum handelt, müssen Sie nicht viel weiter als bis zu Ihrer örtlichen Universität gehen. Dort könnte ein Physiker Laserlicht und Magnete verwenden, um Atome auf unter atemberaubende -450 Grad Fahrenheit abzukühlen. Sie könnten diese ultrakalten Atome nutzen, um selbst die schwächsten Magnetfelder im Raum zu spüren oder eine Uhr zu bauen, die auf eine Billiardstelsekunde genau ist. Aber sie könnten diese Sensoren oder Uhren wahrscheinlich nicht außerhalb ihres Labors mitnehmen, da sie dazu neigen, groß und zerbrechlich zu sein.

Jetzt hat ein Team von Physikern an der Universität Nottingham gezeigt, dass der 3D-Druck von Teilen für diese ultrakalten Quantenexperimente es ihnen ermöglicht, ihre Apparatur auf nur ein Drittel ihrer üblichen Größe zu verkleinern.  Ihre Arbeit, die im August in der Fachzeitschrift  Physical Review

Da sie den Regeln der Quantenmechanik gehorchen, zeigen extrem kalte Atome neue und nützliche Verhaltensweisen. „Ultrakalte Atome sind eine Schlüsseltechnologie, die in vielen verschiedenen Präzisionsinstrumenten zum Einsatz kommt“, sagt John Kitching, ein Physiker am National Institute of Standards and Technology, der nicht an der Studie beteiligt war.

„Ultrakalte Atome sind hervorragende Zeitsensoren. Sie sind ausgezeichnete Sensoren für das, was wir Trägheitskräfte nennen, also Beschleunigung und Rotation. Sie sind ausgezeichnete Sensoren für Magnetfelder. Und sie sind hervorragende Vakuumsensoren“, ergänzt sein Kollege Stephen Eckel, der ebenfalls nicht an der Arbeit beteiligt war.

Daher haben Physiker seit langem versucht, Geräte mit ultrakalten Atomen in verschiedenen Bereichen einzusetzen, von der  Weltraumforschung , wo sie die Navigation unterstützen könnten, indem sie Änderungen in der Beschleunigung eines Fahrzeugs erfassen, bis hin zur Hydrologie, wo sie unterirdisches Wasser lokalisieren könnten, indem sie seine oberirdische Schwerkraft erfassen. Der Prozess, Atome so kalt zu machen, dass sie diese Aufgaben übernehmen können, ist jedoch oft komplex und mühsam. „Da ich schon lange als Experimentator für kalte Atome tätig bin, bin ich immer sehr frustriert darüber, dass wir unsere ganze Zeit damit verbringen, technische Probleme zu lösen“, sagt Nathan Cooper, Physiker an der University of Nottingham und einer der Mitautoren der Studie.

Der Schlüssel zur Kühlung und Kontrolle von Atomen liegt darin, sie mit fein abgestimmtem Laserlicht zu treffen. Warme Atome rasen mit Geschwindigkeiten von Hunderten von Kilometern pro Stunde umher, während  extrem kalte Atome  fast still stehen . Physiker sorgen dafür, dass jedes Mal, wenn ein Laserstrahl auf ein warmes Atom trifft, das Licht so in das Atom eindringt, dass das Atom etwas Energie verliert, langsamer wird und kälter wird. Normalerweise arbeiten sie an einem 1,50 x 2,40 Meter großen Tisch, der mit einem Labyrinth aus Spiegeln und Linsen – optischen Komponenten – bedeckt ist, die das Licht auf seinem Weg zu Millionen von Atomen, oft Rubidium oder Natrium, leiten und manipulieren, die in einem speziellen Behälter aufbewahrt werden Ultrahochvakuumkammer. Um zu kontrollieren, wo sich alle ultrakalten Atome in dieser Kammer befinden, verwenden Physiker Magnete; Ihre Felder wirken wie Zäune.

Im Vergleich zu kilometerlangen Teilchenbeschleunigern oder großen Teleskopen sind diese Versuchsaufbauten klein. Allerdings sind sie viel zu groß und zu zerbrechlich, als dass sie zu kommerziellen Geräten für den Einsatz außerhalb akademischer Labore werden könnten. Physiker verbringen oft Monate damit, jedes kleine Element in ihren Optiklabyrinthen auszurichten. Selbst eine leichte Erschütterung der Spiegel und Linsen – was vor Ort wahrscheinlich passieren kann – würde erhebliche Arbeitsverzögerungen bedeuten. „Wir wollten versuchen, etwas zu bauen, das sehr schnell herzustellen ist und hoffentlich zuverlässig funktioniert“, sagt Cooper. Also wandten er und seine Mitarbeiter sich dem 3D-Druck zu.

Das Experiment des Nottingham-Teams nimmt keinen ganzen Tisch ein – es hat ein Volumen von 0,15 Kubikmetern und ist damit etwas größer als ein Stapel von 10 großen Pizzakartons. „Es ist sehr, sehr klein. Wir haben die Größe im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau um etwa 70 Prozent reduziert“, sagt Somaya Madkhaly, Doktorandin in Nottingham und Erstautorin der Studie. Um es zu bauen, beschäftigten sie und ihre Kollegen sich mit so etwas wie einem sehr anpassbaren Lego-Spiel. Anstatt Teile zu kaufen, bauten sie ihr Setup aus Blöcken zusammen, die sie in 3D druckten, um ihnen genau die Form zu geben, die sie wollten.

Wichtig ist, dass der miniaturisierte Aufbau funktionierte. Das Team lud 200 Millionen Rubidiumatome in seine Vakuumkammer und leitete Laserlicht durch alle optischen Komponenten, sodass das Licht mit den Atomen kollidierte. Die Atome bildeten eine Probe, die kälter als -450 Fahrenheit war – genau so, wie es Wissenschaftler in den letzten 30 Jahren mit konventionelleren Geräten getan haben.

„Ich denke, der Aufbau eines solchen Kaltatomsystems ist ein großer Schritt. Bisher wurden nur einzelne Komponenten 3D-gedruckt“, sagt Aline Dinkelaker, Physikerin am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, die nicht an der Studie beteiligt war. Während frühere Experimente so etwas wie der Kauf eines speziellen Lego-Bausatzes waren, mit dem man ein vorgefertigtes Raumschiff bauen kann, bestand der Ansatz des Nottingham-Teams eher darin, zuerst das Raumschiff zu entwerfen und dann die Blöcke, aus denen es besteht, in 3D zu drucken.

Ein großer Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass man jede Komponente individuell gestalten kann, betont Dinkelaker. „Manchmal hat man nur ein kleines, seltsam geformtes Bauteil oder einen seltsam geformten Raum. Hier kann der 3D-Druck eine tolle Lösung sein“, sagt sie.

Lucia Hackermuller, eine weitere Co-Autorin des Artikels, sagt, dass die Herstellung jedes Stücks nach ihren eigenen Spezifikationen eine Optimierung ermöglichte. „Wir wollen das bestmögliche Design haben, und das Problem besteht darin, dass wir normalerweise bauliche Einschränkungen haben“, sagt sie. „Aber wenn man 3D-Druckverfahren nutzt, kann man im Grunde alles drucken, was einem einfällt.“ Im Rahmen dieses Optimierungsprozesses verwendete das Team einen von ihnen entwickelten Computeralgorithmus, um die beste Platzierung für ihre Magnete zu finden. Außerdem haben sie etwa zehn Iterationen ihrer 3D-gedruckten Komponenten durchgearbeitet, bis sie den Feinschliff erreicht hatten.

Die neue Studie ist ein Schritt vorwärts, um dieses Werkzeug für die physikalische Grundlagenforschung erschwinglicher und zugänglicher zu machen. „Ich hoffe, dass dies die Standardexperimente mit ultrakalten Atomen beschleunigen und in gewissem Maße auch demokratisieren wird, indem sie billiger und viel schneller aufgebaut werden“, sagt Cooper. Er vermutet, dass er, wenn er mit nur ein paar Linsen und Spiegeln, Rubidiumatomen und einem 3D-Drucker auf einer einsamen Insel gestrandet wäre, in etwa einem Monat von null auf ein voll funktionsfähiges Gerät umsteigen könnte – fünf- oder sechsmal schneller als gewöhnlich. Für Madkhaly ist der Neuanfang möglicherweise nicht nur ein imaginäres Szenario. Nach ihrem Abschluss, sagt sie, werde sie möglicherweise in ihr Heimatland Saudi-Arabien zurückkehren und den 3D-Druck nutzen, um neue Forschungen zu ultrakalten Atomen anzukurbeln. „Das ist dort ein ganz neues Feld“, fügt sie hinzu.

Kitching geht davon aus, dass diese Werkzeuge auch außerhalb der Wissenschaft eingesetzt werden, beispielsweise von Unternehmen, die quantenbetriebene Sensoren herstellen, die magnetische oder Gravitationsfelder erfassen. Diese Unternehmen beschäftigen möglicherweise keine in Quantenphysik ausgebildeten Wissenschaftler, aber das wäre egal. Er stellt sich vor, dass sie Montagelinien einrichten, an denen Techniker die Geräte aus 3D-gedruckten Komponenten zusammenbauen. Und wenn diese Geräte stabil genug wären, um ohne ständige Anpassungen zu funktionieren, könnten die Mitarbeiter sie dennoch bedenkenlos nutzen.

Kommerzielle ultrakalte Atomgeräte könnten beispielsweise von Bauingenieuren, Öl- und Gasunternehmen, Archäologen oder Vulkanologen verwendet werden, um unterirdisches Gelände besser zu kartieren, basierend auf der extremen Empfindlichkeit der Atome gegenüber der Schwerkraft. Ultrakalte Atome könnten sich auch als entscheidender Bestandteil für Navigationsgeräte erweisen, die auch dann funktionieren, wenn  GPS-Satelliten  außer Reichweite sind. Ultrakalte Atomuhren könnten zur Synchronisierung von Transport- oder Telekommunikationsnetzen oder zur Sicherung von Finanztransaktionen in Situationen eingesetzt werden, in denen jede Börse oder jeder Handel einen sehr präzisen Zeitstempel erfordert.

Hackermüller und ihre Kollegen planen, auch ihr bestehendes Setup weiter zu optimieren. „Wir glauben, dass wir noch nicht alle Funktionen des 3D-Drucks vollständig ausgeschöpft haben. „Das bedeutet, dass unser Aufbau sogar noch kleiner sein könnte“, sagt sie – sie glauben, dass sie ihn auf fast die Hälfte seiner aktuellen Größe bringen könnten. Cooper sagt: „Wir werden sehen, wo die Grenzen dessen liegen, was man damit machen kann.“