Optisk kvanteføler for første gang testet i rummet

For første gang nogensinde, en sky af ultrakolde atomer er blevet skabt med succes i rummet ombord på en lydende raket. MAIUS -missionen viser, at kvanteoptiske sensorer kan betjenes selv i barske miljøer som f.eks. Plads - en forudsætning for at finde svar på de mest udfordrende spørgsmål inden for grundlæggende fysik og en vigtig innovationsdriver til dagligdags applikationer.

Ifølge Albert Einsteins ækvivalensprincip, alle kroppe accelereres i samme hastighed af Jordens tyngdekraft, uanset deres egenskaber. Dette princip gælder for sten, fjer, og atomer ens. Under mikrogravitation, meget lange og præcise målinger kan udføres for at afgøre, om forskellige typer atomer faktisk "falder lige hurtigt" i jordens tyngdefelt - eller om vi skal revidere vores forståelse af universet.

Som en del af et nationalt konsortium, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) og Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) tog nu et historisk skridt i retning af at teste ækvivalensprincippet i mikrokosmos af kvanteobjekter. I MAIUS -missionen, der blev lanceret den 23. januar, 2017 en sky af nano-Kelvin kolde rubidiumatomer er blevet genereret i rummet for første gang nogensinde. Denne sky blev kølet ned med laserlys og radiofrekvente elektriske felter, så atomer endelig dannede et enkelt kvanteobjekt, et Bose-Einstein-kondensat (BEC).

Mere end 20 år efter de banebrydende resultater af nobelpristagerne Cornell, Ketterle, og Wieman på ultrakolde atomer, foreløbig evaluering af de sondende raketmissionsdata indikerer, at sådanne eksperimenter også kan udføres under de barske forhold ved rumdrift - tilbage i 1995, opstillinger i stuen i et specielt laboratoriemiljø var påkrævet. Dagens kvanteoptiske sensor er så lille som en fryser og forbliver fuldt funktionsdygtig, selv efter at have oplevet enorm mekanisk og termisk belastning forårsaget af raketopsendelsen. Denne banebrydende mission er en stifinder til anvendelse af kvantesensorer i rummet. I fremtiden, forskere forventer at bruge kvantesensorteknologi til at klare en af ​​de største udfordringer i moderne fysik:foreningen af ​​tyngdekraften med de andre grundlæggende interaktioner (stærk, svag, og elektromagnetisk kraft) i en enkelt konsekvent teori. På samme tid, disse eksperimenter er drivkræfter for innovation til en bred vifte af applikationer, fra inertial (ikke-GPS-reference) navigation til rumbaseret geodesi, der bruges til at bestemme Jordens form.

Omfattende knowhow i lasermoduler designet til rumapplikationer

Til denne mission, FBH har udviklet hybridmikrointegrerede halvlederlasermoduler, der er velegnede til anvendelse i rummet. Disse lasermoduler, sammen med optiske og spektroskopiske enheder leveret af tredjepartnere, er blevet integreret og kvalificeret af HU til at levere lasersubsystemet til den videnskabelige nyttelast. Resultaterne af denne mission koordineret af Leibniz Universitaet Hannover beviser ikke kun, at kvanteoptiske eksperimenter med ultrakolde atomer er mulige i rummet, men også give FBH og HU mulighed for at teste deres miniaturiserede lasersystemteknologi under reelle driftsbetingelser. Resultaterne vil også blive brugt til at forberede fremtidige missioner, som allerede er planlagt til lancering. MAIUS, imidlertid, er ikke den første lydende rakettest for begge institutioners laserteknologi i rummet; teknologien er allerede blevet testet med succes i april 2015 og januar 2016 ombord på to raketter, der lyder inden for FOKUS- og KALEXUS -eksperimenterne.

MAIUS:stofbølgeinterferometri under mikrogravitationsbetingelser

MAIUS-missionen understøttes af det tyske rumagentur (DLR) med midler fra Forbundsministeriet for Økonomiske Anliggender og Energi og tester alle nøgleteknologier i en rumbaseret kvanteoptisk sensor på en lydende raket:vakuumkammer, lasersystem, elektronik, og software. MAIUS udgør en historisk milepæl for fremtidige missioner i rummet, der vil drage fordel af kvanteteknologiens fulde potentiale. For første gang på verdensplan, et Bose-Einstein-kondensat (BEC) baseret på rubidiumatomer er blevet skabt ombord på en lydende raket og er blevet brugt til at undersøge atominterferometri i rummet. Kvanteoptiske sensorer baseret på BEC'er muliggør højpræcisionsmålinger af accelerationer og rotationer ved hjælp af laserpulser, der giver en reference til præcis bestemmelse af atomskyens positioner.

Det kompakte og robuste diodelasersystem til laserkøling og atominterferometri med ultrakolde rubidiumatomer er udviklet under ledelse af Optical Metrology Group på HU. Dette system er nødvendigt for driften af ​​MAIUS-eksperimentet og består af fire diodelasermoduler, der er udviklet af FBH som hybridintegrerede master-oscillator-effektforstærker-lasermoduler. Masterlaseren er en monolitisk distribueret feedback (DFB) laser, som er frekvensstabiliseret til frekvensen af ​​en optisk overgang i rubidium og genererer spektralt ren og meget stabil (~ 1 MHz linewidth) optisk stråling med lav udgangseffekt ved 780 nm bølgelængde. De tre andre lasermoduler har en konisk forstærkerchip med en bølgelederindgangssektion. Disse koniske forstærkerchips øger den optiske udgangseffekt af en DFB -laser til over 1 W uden tab af spektral stabilitet. To yderligere redundansmoduler blev integreret. Frirumsakusto-optiske modulatorer og optiske komponenter bruges til at generere laserpulser i henhold til den eksperimentelle sekvens. Laserlyspulserne overføres endelig til det eksperimentelle kammer med optiske fibre.

Desuden, en laserteknologi demonstrator designet til fremtidige missioner er blevet integreret, bestående af to mikrointegrerede halvlederudvidede hulrumsdiodelaser (ECDL) moduler udviklet af FBH. Disse moduler er specifikt nødvendige for fremtidige atominterferometrieksperimenter, der stiller strengere krav til lasernes spektralstabilitet.