För första gången någonsin, ett moln av ultrakalla atomer har framgångsrikt skapats i rymden ombord på en ljudande raket. MAIUS -uppdraget visar att kvantoptiska sensorer kan användas även i tuffa miljöer som i rymden - en förutsättning för att hitta svar på de mest utmanande frågorna inom grundläggande fysik och en viktig innovationsdrivare för vardagliga applikationer.

Enligt Albert Einsteins likvärdighetsprincip, alla kroppar accelereras i samma takt av jordens gravitation, oavsett deras egenskaper. Denna princip gäller stenar, fjädrar, och atomer lika. Under mikrogravitation, mycket långa och exakta mätningar kan utföras för att avgöra om olika typer av atomer faktiskt "faller lika snabbt" i jordens gravitationsfält - eller om vi måste revidera vår förståelse av universum.

Som en del av ett nationellt konsortium, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) och Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) gjorde nu ett historiskt steg mot att testa ekvivalensprincipen i mikrokosmos av kvantobjekt. I MAIUS -uppdraget som lanserades den 23 januari, 2017 har ett moln av nano-Kelvin kalla rubidiumatomer genererats i rymden för första gången någonsin. Detta moln kyldes ned med laserljus och radiofrekventa elektriska fält så att atomerna slutligen bildade ett enda kvanteobjekt, ett Bose-Einstein-kondensat (BEC).

Mer än 20 år efter de banbrytande resultaten av nobelpristagarna Cornell, Ketterle, och Wieman på ultrakalla atomer, preliminär utvärdering av uppgifter om missande raketuppdrag indikerar att sådana experiment också kan utföras under de hårda förhållandena vid rymdoperation - redan 1995, uppställningar i vardagsrum i en speciell laboratoriemiljö krävdes. Dagens kvantoptiska sensor är lika liten som en frys och förblir fullt fungerande även efter att ha upplevt enorm mekanisk och termisk spänning orsakad av raketuppskjutningen. Detta banbrytande uppdrag är en sökare för tillämpningar av kvantsensorer i rymden. I framtiden, forskare förväntar sig att använda kvantsensorteknik för att klara en av de största utmaningarna i modern fysik:förenandet av gravitation med de andra grundläggande interaktionerna (stark, svag, och elektromagnetisk kraft) i en enda konsekvent teori. På samma gång, dessa experiment är drivkrafter för innovation för ett brett spektrum av applikationer, från tröghetsnavigering (icke-GPS-navigering) till rymdburen geodesi som används för att bestämma jordens form.

Omfattande kunskap i lasermoduler avsedda för rymdapplikationer

För detta uppdrag, FBH har utvecklat hybridmikrointegrerade halvledarlasermoduler som är lämpliga för användning i rymden. Dessa lasermoduler, tillsammans med optiska och spektroskopiska enheter från tredje part, har integrerats och kvalificerats av HU för att tillhandahålla lasersubsystemet för den vetenskapliga nyttolasten. Resultaten av detta uppdrag som samordnas av Leibniz Universitaet Hannover bevisar inte bara att kvantoptiska experiment med ultrakalla atomer är möjliga i rymden, men också ge FBH och HU möjlighet att testa sin miniatyriserade lasersystemteknik under verkliga driftförhållanden. Resultaten kommer också att användas för att förbereda framtida uppdrag som redan är planerade för lansering. MAIUS, dock, är inte det första ljungande rakettestet för båda institutionernas laserteknologi i rymden; tekniken har redan testats framgångsrikt i april 2015 och januari 2016 ombord på två raketer som låter inom FOKUS- och KALEXUS -experimenten.

MAIUS:materia-våginterferometri under mikrogravitationsförhållanden

MAIUS-uppdraget stöds av den tyska rymdorganisationen (DLR) med medel från det federala ekonomi- och energiministeriet och testar alla nyckelteknologier för en rymdburen kvantoptisk sensor på en ljudande raket:vakuumkammare, lasersystem, elektronik, och mjukvara. MAIUS utgör en historisk milstolpe för framtida uppdrag i rymden som kommer att dra nytta av kvantteknikens fulla potential. För första gången världen över, ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) baserat på rubidiumatomer har skapats ombord på en ljudande raket och har använts för att undersöka atominterferometri i rymden. Kvantoptiska sensorer baserade på BEC möjliggör högprecisionsmätningar av accelerationer och rotationer med laserpulser som ger en referens för exakt bestämning av atommolnets positioner.

Det kompakta och robusta diodlasersystemet för laserkylning och atominterferometri med ultrakalla rubidiumatomer har utvecklats under ledning av Optical Metrology Group vid HU. Detta system krävs för driften av MAIUS-experimentet och består av fyra diodlasermoduler som har utvecklats av FBH som hybridintegrerade master-oscillator-effektförstärkarlasermoduler. Masterlasern är en monolitisk distribuerad återkopplingslaser (DFB) som är frekvensstabiliserad till frekvensen för en optisk övergång i rubidium och genererar spektral rent och mycket stabil (~ 1 MHz linjebredd) optisk strålning med låg uteffekt vid 780 nm våglängd. De tre andra lasermodulerna har ett avsmalnande förstärkarkrets med en ingångssektion för åsvågledare. Dessa avsmalnande förstärkarchips ökar den optiska uteffekten hos en DFB -laser till mer än 1 W utan att någon spektral stabilitet förloras. Ytterligare två redundansmoduler integrerades. Fritt utrymme akusto-optiska modulatorer och optiska komponenter används för att generera laserpulserna enligt den experimentella sekvensen. Laserljuspulserna överförs slutligen till experimentkammaren med optiska fibrer.

Vidare, en laserteknologisk demonstrator avsedd för framtida uppdrag har integrerats, som består av två mikrointegrerade halvledarmoduler för utvidgad kavitetsdiod (ECDL) som utvecklats av FBH. Dessa moduler krävs specifikt för framtida atominterferometriförsök som ställer strängare krav på lasrarnas spektralstabilitet.