Im Zentrum der Arbeit steht ein differenzielles Interferometrieschema mit Bose-Einstein-kondensierten Rubidium-Atomen. Durch den Vergleich zweier räumlich getrennter Mach-Zehnder-Interferometer heben sich gemeinsame Störeinflüsse wie Laserphasen- und Vibrationsrauschen gegenseitig auf, sodass auch unter den herausfordernden Schwingungsbedingungen der ISS präzise Messungen möglich werden. Mit dieser Sequenz konnten die Forschenden zusätzlich Krümmungen des Magnetfelds erfassen. Durch den Vergleich von Messungen an magnetisch sensitiven und magnetisch unempfindlichen Atomzuständen ließ sich zudem eindeutig nachweisen, dass die gemessenen Kräfte tatsächlich magnetischen Ursprungs sind.

Ermöglicht wurde dies durch eine sorgfältige Charakterisierung des Interferometrie-Laserstrahls und verbesserte Kontrolle der Atomquelle, wodurch sich die Wechselwirkungszeiten der Atome mit dem Laserstrahl deutlich verlängern ließen. Die Experimente erreichten damit Interferometerzeiten von bis zu 40,3 Millisekunden und übertrafen frühere Realisierungen von Bose-Einstein-Kondensat-Interferometern im All deutlich. Im Ergebnis bestimmte das Team die lokale Magnetfeldkrümmung in der Vakuumkammer des Experiments zu (614,1 ± 0,3) Nanotesla pro Quadratmillimeter.

Die Arbeitsgruppe von Professor Giese (wird in neuem Tab geöffnet), auch beteiligt an anderen Projekten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, hat innerhalb des Konsortiums Vorschläge für die eingesetzten Interferometer-Sequenzen mit erarbeitet und war an der Auswertung der auf der Raumstation gewonnenen Messdaten beteiligt.

Die Ergebnisse sind relevant für künftige Präzisionsmessungen mit Quantensensoren im Weltraum: Magnetfeldgradienten zählen zu den wichtigsten systematischen Störeffekten bei Atominterferometrie-Experimenten, etwa bei Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Da nur die Atome selbst im Inneren der Vakuumkammer messen können, liefert die im Weltraum durchgeführte in-situ-Charakterisierung genau an der relevanten Messposition wichtige Informationen für die Auslegung künftiger Missionen. Darüber hinaus eröffnet der differenzielle Ansatz Perspektiven für multimodale Quantensensoren, die neben Magnetfeldern auch Schwerefeldgradienten der Erde erfassen könnten.