Chinas Raumstation kühlt Atome auf 9,7 Pikokelvin, so kalt wie nie zuvor gemessen

Eine Wolke aus Rubidiumatomen an Bord der chinesischen Raumstation Tiangong wurde auf weniger als zehn Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – die kälteste jemals für ein Gas aus Atomen gemeldete Temperatur. Das ist etwa viermal kälter als das beste Ergebnis, das zuvor irgendwo erreicht wurde, auf der Erde oder im Orbit.

Der Rekord ist weniger wegen der Zahl selbst bedeutsam, sondern wegen dem, was er ermöglicht. Bei dieser Kälte driften die Atome so langsam auseinander, dass das Team die Wolke nach dem Loslassen sieben Sekunden lang beobachten konnte – ein Zeitfenster, das lang genug ist, um Gravitation, Quantenverhalten und möglicherweise Dunkle Materie mit einer Präzision zu testen, die kein Bodenlabor erreicht.

Die Atome bildeten ein Bose-Einstein-Kondensat, einen Materiezustand, bei dem Tausende von Atomen ihre Individualität verlieren und sich wie eine einzige Quantenwelle verhalten. Forscher der Peking-Universität, des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics und des Technology and Engineering Center for Space Utilization der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führten das Experiment im Kaltatom-Physik-Rack des Mengtian-Labormoduls der Station durch und berichteten darüber in der Fachzeitschrift Science.

Die Wolke enthielt 20.000 Atome Rubidium-87. Ihre äquivalente Temperatur betrug 9,7 Pikokelvin, mit einer Unsicherheit von 7,0 bis 12,9 Pikokelvin. Der bisher niedrigste Wert für ein solches System lag bei 38 Pikokelvin, und das Cold Atom Lab der NASA auf der Internationalen Raumstation hatte 52 Pikokelvin erreicht.

Wie ein zehn Tonnen schweres Labor in ein Stationsrack gequetscht wurde

Atome zu kühlen bedeutet, sie zu verlangsamen. Das Team fing das Rubidium mit gekreuzten Laserstrahlen, einer Anordnung, die als optische Dipolfalle bezeichnet wird, und senkte dann Schritt für Schritt die Laserleistung, sodass die energiereichsten Atome entweichen konnten. Dies ist evaporative Kühlung, dasselbe Prinzip, das eine Tasse Kaffee abkühlt, wenn die heißesten Moleküle als Dampf entweichen.

In Schwerelosigkeit funktioniert dieser Trick weniger gut, weil die Atome nicht mehr auf den Boden der Falle sinken, wo sich der Ausgang befindet. Die Forscher fügten einen schwachen magnetischen Gradienten hinzu, um die Verdampfung zu lenken und ein Kondensat zu erhalten. Eine letzte Stufe, eine plötzliche nicht-adiabatische Expansion der Falle, verlangsamte die Atome dann weiter.

Jeder andere Rekord dieser Art verwendete magnetische Fallen, die auf Atomchips aufgebaut waren. Laser sind im Orbit schwieriger zu betreiben, aber sie sind weniger empfindlich gegenüber magnetischen Störungen, lassen mehr optischen Zugang und können Atome halten, die Magnetfelder völlig ignorieren. „Die technische Herausforderung bestand darin, mehrere Spitzentechnologien unter strengen Weltraumanforderungen zu konzentrieren“, sagte Li Tang, ein Forscher am Shanghai Institute, laut Xinhua.

Die Bodenversion des Experiments nimmt etwa 20 Kubikmeter ein und wiegt rund zehn Tonnen. Das Flugrack belegt 0,7 Kubikmeter und eine halbe Tonne, wobei sein Ultrahochvakuumsystem, seine Hochleistungs-Faserlaser und frequenzstabilisierten Optiken unter engen Leistungsgrenzen automatisch arbeiten.

Hunderte Milliarden Mal kälter als der Weltraum

Der absolute Nullpunkt, minus 273,15 Grad Celsius, ist der Punkt, an dem die Atombewegung vollständig aufhören würde. Der leere Raum ist nicht so kalt: Das schwache Nachglühen des Urknalls hält ihn bei etwa 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Gemessen auf der Kelvinskala war die Tiangong-Wolke etwa 280 Milliarden Mal kälter als das.

Der bisherige Bestwert von 38 Pikokelvin stammte von einem deutschen Team, das ein Atomchip-Experiment im Bremer Fallturm fallen ließ, um ein paar Sekunden Schwerelosigkeit zu erhalten. Falltürme haben eine begrenzte Höhe. Eine umlaufende Station befindet sich im permanenten freien Fall, sodass das Experiment so lange weiterlaufen kann, wie die Atome kohärent bleiben.

Die Beobachtungszeit ist der Bereich, in dem sich die Kluft am stärksten vergrößert. Bodenexperimente können eine freigesetzte Wolke etwa 0,05 Sekunden lang verfolgen, bevor sie aus dem Blickfeld fällt; die Internationale Raumstation schafft etwa eine Sekunde, und die chinesische Station erreicht nun sieben, so das Team. „Auf der Erde würde sie etwa 250 Meter weit fallen, also würde sie tatsächlich auf den Boden krachen, es sei denn, man hat eine Vakuumkammer, die 250 Meter hoch ist“, sagte Wolfgang Ketterle, der MIT-Physiker, der den Nobelpreis für die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten erhielt, gegenüber Chinas CGTN.

Was äquivalente Temperatur bedeutet – und was nicht

Die 9,7 Pikokelvin sind keine Thermometerablesung. Die Forscher leiten sie daraus ab, wie langsam sich die Wolke nach dem Freilassen ausbreitet, und wandeln diese Expansionsgeschwindigkeit in die Temperatur um, die ein Gas haben müsste, um sich so langsam zu bewegen. Der Wert beschreibt nur die Atome: Die Forscher weisen darauf hin, dass die Ausrüstung und ihre Umgebung dieser Temperatur nie nahe kamen.

Die Fehlerbalken sind breit, etwa 30 Prozent nach beiden Seiten, und das Ergebnis stammt von einer einzigen Einrichtung und wurde noch nicht unabhängig reproduziert. Vergleiche mit älteren Rekorden vermischen auch Methoden: Falltürme, Magnet-Chips und nun Laserfallen erreichen ihre Werte durch unterschiedliche Fallen- und Endkühlmethoden, sodass die Lücke eher ein Anhaltspunkt als eine präzise Rangfolge ist.

Die Wolke ist auch klein. Zwanzigtausend Atome reichen für ein sauberes Kondensat, aber Präzisionsinstrumente gewinnen an Empfindlichkeit durch größere Proben. Ob das System sowohl mehr Atome als auch lange Kohärenz im Routinebetrieb liefern kann, ist die offene technische Frage.

Warum sieben Sekunden wichtiger sind als der Rekord

Ein Atominterferometer spaltet die Quantenwelle jedes Atoms in zwei Pfade auf und führt sie wieder zusammen, wodurch winzige Unterschiede in der Beschleunigung in ein messbares Signal umgewandelt werden. Seine Empfindlichkeit steigt mit dem Quadrat der Zeit, die die Atome darin verbringen. „Atominterferometer profitieren stark von Quellen, die eine große Anzahl von Atomen in einem ultrakalten Ensemble und lange Beobachtungszeiten liefern“, sagte Ernst Rasel, Physiker an der Leibniz Universität Hannover, in von CGTN verbreiteten Kommentaren.

Solche Instrumente könnten das Schwerefeld der Erde aus dem Orbit kartieren und testen, ob Objekte unterschiedlicher Zusammensetzung tatsächlich gleich schnell fallen – ein Eckpfeiler von Einsteins Relativitätstheorie. Laserfallen können auch zu optischen Gittern geformt werden, Lichtgittern, die Atome wie in einem Kristall festhalten und es Physikern ermöglichen, Materialien zu simulieren, die sich nur schwer direkt untersuchen lassen. „Je länger wir beobachten können, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir neue und schwächere physikalische Phänomene finden“, sagte Xiong Wei von der Peking-Universität, Ko-Erstautor der Studie, laut Xinhua.

Häufige Fragen zur kältesten jemals gemessenen Temperatur

Was ist die kälteste jemals gemessene Temperatur?

Für ein Gas aus Atomen ist die niedrigste bisher gemeldete äquivalente Temperatur 9,7 Pikokelvin, erreicht an Bord der chinesischen Raumstation Tiangong. Das sind 9,7 Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Der vorherige Rekord lag bei 38 Pikokelvin.

Was ist ein Bose-Einstein-Kondensat?

Es ist ein Materiezustand, der entsteht, wenn ein Gas bestimmter Atome nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Die Atome fallen in denselben Quantenzustand und wirken wie eine einzige Welle, wodurch Quanteneffekte in einer Größenordnung sichtbar werden, die groß genug ist, um fotografiert zu werden.

Warum funktionieren Kaltatom-Experimente im Weltraum besser?

Auf der Erde zieht die Schwerkraft die Atome aus schwachen Fallen und lässt eine freigesetzte Wolke innerhalb eines Sekundenbruchteils fallen. Im Orbit schweben die Atome, sodass die Falle sanfter gemacht werden kann, was sie weiter kühlt, und die Wolke kann mehrere Sekunden lang beobachtet werden.

Kann irgendetwas den absoluten Nullpunkt erreichen?

Nein. Die Gesetze der Thermodynamik verbieten es, genau null Kelvin zu erreichen, daher können Experimente nur immer näher herankommen. Jeder Schritt nach unten wird schwieriger, weshalb der Sprung von 38 auf unter 10 Pikokelvin als großer Fortschritt gilt.

Ein umlaufendes Labor, offen für externe Teams

Das Kaltatom-Rack wurde mit dem Mengtian-Modul im Jahr 2022 ins All gebracht, nach einem Projekt, dessen erste Machbarkeitsstudien 2011 begannen, und der Rekord wurde am 5. November 2026 online in Science veröffentlicht. Rasel sieht den nächsten Schritt in Interferometern im Orbit, die Atome mehrere Sekunden lang kohärent gespalten halten. Lyu Congmin, Chefdesigner des Raumfahrtanwendungssystems des chinesischen bemannten Raumfahrtprogramms, sagte, das Rack stehe Wissenschaftlern aus aller Welt offen, die darauf eigene Experimente durchführen möchten.

Referenz: Xiong et al., „Quantum gases below 10 picokelvin in space,“ Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Schlagwörter: Physik, Quantenphysik, absoluter Nullpunkt, Bose-Einstein-Kondensat, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Mengtian