První kvantově optický senzor testován ve vesmíru – s laserovým systémem z Berlína

MOPA-Lasermodul pro MAIUS: Hybrid-integriertes Master-Oszillator-Power-Amplifier (MOPA)-Lasermodul vom Ferdinand-Braun-Institut für die Rubidium-Präzisionsspektroskopie im Weltraum – drei dieser MOPA-Module sowie zwei Redundanzmodule sind im Lasersystem integriert. (©FBH/schurian.com) / MOPA laser module for MAIUS: Hybrid-integrated master-oscillator power-amplifier (MOPA) laser module for rubidium precision spectroscopy in space developed by the Ferdinand-Braun-Institut – three of these MOPA modules along with two redundant modules are integrated into the laser system. (© FBH/schurian.com)

MAIUS-Lasersystem: MAIUS-Lasersystem, se kterým byl poprvé ve vesmíru vytvořen Boseho-Einsteinův kondenzát. Je přibližně tak velký jako krabice od bot a váží 27 kg. Hybridně integrované laserové moduly FBH se nacházejí dole ve systému, na horní straně je připraveno laserové světlo pro další přenos do hlavního experimentu. (© Humboldt-Universität zu Berlin) / MAIUS laser system: Used to successfully create a Bose-Einstein condensate for the first time in space. It is about as big as a shoe box with a mass of 27 kg. FBH’s laser modules are integrated on the bottom side of the heat sink, the top side houses modules for further processing of the light to be transferred to the main experiment. (© Humboldt-Universität zu Berlin)

Na palubě výškové výzkumné rakety poprvé ve vesmíru byla vytvořena oblak ultrazchladlých atomů. Tím byla mise MAIUS schopna prokázat, že kvantově optické senzory lze používat i v náročných prostředích, jako je vesmír – což je podmínka pro odpověď na základní otázky vědy a zároveň hybný motor inovací pro každodenní aplikace.

Podle Einsteinova principu ekvivalence jsou všechny tělesa, bez ohledu na jejich další vlastnosti, stejně silně zrychlována gravitační silou. Tento princip platí pro kameny, pružiny i atomy stejně. Za podmínek beztíže je možné měřit velmi dlouhou dobu a tím i přesně, zda se různé těžké atomy skutečně „padnou stejně rychle ve gravitačním poli Země“, nebo jestli je třeba upravit náš pohled na to, co drží svět pohromadě.

Na národní konsorcium, jehož součástí je i Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) a Humboldt-Universität zu Berlin (HU), se nyní v rámci mise MAIUS podařil historický krok na cestě k testování principu ekvivalence v mikrosvětě kvantových objektů. Dne 23. ledna 2017 byl poprvé ve vesmíru vytvořen oblak nano-Kelvin chladných atomů rubidia. Ty byly pomocí laserového světla a rádiových frekvencí tak ochlazeny, že jednotlivé atomy tvoří jakýsi jediný kvantový objekt, Bose-Einsteinův kondensát. Přibližně 20 let po průlomových pracích nositelů Nobelovy ceny Cornell, Ketterle a Wieman v oblasti ultrazchladných atomů naznačují předběžné vyhodnocení vědeckých dat, že takové experimenty lze provádět i za drsných podmínek ve vesmíru – v roce 1995 byly k tomu potřeba přístroje veliké jako obývací pokoj v speciálním laboratoři. Kvantově optický senzor dneška je pouze tak velký jako mrazák a přestože je vystaven obrovským mechanickým a tepelným namáháním při startu rakety, zůstává použitelný. S touto misí byla položena základna pro budoucí použití kvantových senzorů ve vesmíru. Výzkumníci od toho očekávají poznatky k překonání jedné z možná největších výzev moderní fyziky: sjednocení gravitační síly s ostatními třemi základními silami (silná a slabá jaderná síla, elektromagnetismus) v jednotné teorii. Současně jsou tyto experimenty hybným motorem pro široké spektrum aplikací, od navigace bez GPS po vesmírnou geodézii, měření povrchu Země.

Komplexní know-how v oblasti laserových modulů pro vesmírné požadavky

FBH vyvinulo pro tuto misi hybridní mikrointegrované laserové moduly vhodné do vesmíru, založené na polovodičích. Tyto moduly spojila HU spolu s dalšími optickými a spektroskopickými moduly od dalších partnerů do funkčního celkového laserového systému a otestovala je. Mise byla koordinována národním konsorciem pod vedením Leibnizovy univerzity Hannover. Ukazuje nejen, že kvantově optické experimenty s ultrazchladnými atomy lze provádět i ve vesmíru, ale dává FBH a HU také možnost otestovat jejich laserové technologie za reálných podmínek a využít výsledky k přípravě dalších již plánovaných misí. Pro obě zařízení to není první nasazení jejich laserové technologie ve vesmíru. Již v dubnu 2015 a lednu 2016 byly úspěšně otestovány technologické stavební kameny současné mise na palubě dvou výškových výzkumných raket v experimentech FOKUS a KALEXUS.

MAIUS: Interferometrie materiálových vln ve stavu beztíže

Mise MAIUS, financovaná Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR) s prostředky spolkového ministerstva hospodářství a energetiky, testuje všechny klíčové technologie vesmírného kvantového senzoru na výškové výzkumné raketě: vakuovou komoru, laserový systém, elektroniku a software. MAIUS je tak historickým milníkem pro budoucí mise ve vesmíru, které využijí plný potenciál kvantové technologie. Poprvé na světě byl na výškové výzkumné raketě vytvořen a interferometricky zkoumán Bose-Einsteinův kondensát rubidiových atomů. Tento stav hmoty umožňuje velmi přesné měření zrychlení a rotací. K tomu se používají pulzy laserového světla jako referenční bod, aby bylo možné velmi přesně měřit polohu atomové mlhy v různých časech.

Pod vedením skupiny Optická metrologie HU byl vyvinut kompaktní a stabilní diodový laserový systém pro laserové ochlazování a atomovou interferometrii s ultrazchladnými rubidiovými atomy na výškové výzkumné raketě. Tento laserový systém pro hlavní experiment MAIUS sestává ze čtyř diodových laserových modulů, které vyvinulo FBH jako hybridně integrované laserové moduly. Hlavní laserové zdroje jsou monolitické DFB-lasery, jejichž frekvence je stabilizována na optický přechod v rubidiu. Vytvářejí spektrálně čisté a vysoce stabilní (~ 1 MHz šířka linie) optické záření nízkého výkonu (několik desítek mW) při vlnové délce 780 nanometrů. Tři referenční, hybridně integrované hlavní oscilátory a zesilovače jsou určeny pro laserové ochlazování atomů a interferometrii. U nich je záření z DFB-lasera bez ztráty spektrální stability zesilováno trapezovým zesilovačem s mřížkovým vlnovodem na výkon přesahující 1 watt. Pro zajištění úspěšného průběhu mise byly navíc integrovány dva redundantní moduly. Laserové světlo je upraveno pomocí vláknových optických prvků a přiváděno do experimentální komory, pro rychlé spínání světla jsou využívány akusto-optické modulátory v otevřeném paprsku.

Pro budoucí mise byl také integrován demonstrátor laserové technologie obsahující dva mikrointegrované polovodičové moduly Extended Cavity Diode Laser (ECDL), které vyvinulo FBH. Tyto moduly jsou určeny především pro budoucí experimenty s atomovou interferometrií, které vyžadují přísnější požadavky na spektrální stabilitu laseru.