Advancing Quantum Physics in Space

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Apparatur zur Erzeugung ultrakalter Materie, die für den Einsatz an Bord einer Höhenforschungsrakete konzipiert ist und Experimente mit quantenentarteten Gemischen von Alkalimetallatomen in bis zu sechs Minuten freien Fall für ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Lasersystemmodul der wissenschaftlichen Nutzlast MAIUS-B, das im Rahmen der QUANTUS-Kollaboration entwickelt wurde. Das implementierte Lasersystem ermöglicht die optische Kühlung von Rubidium-87- und Kalium-41-Atomen zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten durch Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle. Der Aufbau umfasst zehn integrierte Laser, die Licht für magneto-optisches Einfangen, optische Molasse, Atomabfrage, Quantenzustandspräparation und Atominterferometrie liefern. Das Design kombiniert dazu faseroptische Module mit Freiraum-Strahlführung. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen während des Raketenflugs erforderte das System eine hohe mechanische Stabilität und einen hohen Automatisierungsgrad. Die Steuerungssoftware führte kritische Aufgaben wie die Laserstabilisierung autonom aus und minimierte so den Bedarf an menschlichem Eingreifen während des Flugs. Die MAIUS-B-Nutzlast kam während der MAIUS-2-Sondierungsraketenmission zum Einsatz, deren Ziel es war, ultrakalte Gemische beider Atomarten in der Mikrogravitation zu erzeugen. Während der Mission trat bei einem der Kaliumlaser eine Anomalie auf. Diese Arbeit enthält daher eine detaillierte Analyse der Telemetriedaten und der Tests nach dem Flug, die die Identifizierung des Problems ermöglichten. Im Anschluss an die Mission wurde die Apparatur für den Betrieb in der Einstein-Elevator-Anlage in Hannover angepasst, wo es im Rahmen von Freifallversuchen erfolgreich die angestrebten quantenentarteten Gemische erzeugte.