Einstein en la bancada de pruebas – dos experimentos de precisión con láseres de Berlín en el espacio

Módulo de rubidio para el experimento FOKUS: Módulo de rubidio acoplado por fibra para el experimento FOKUS en el espacio. ©FBH/P. Immerz

Según la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein, en el vacío todos los cuerpos, independientemente de sus demás propiedades, son acelerados a la misma velocidad por la fuerza de gravedad de la Tierra. Este principio de equivalencia es válido para piedras, plumas y átomos por igual. Bajo las condiciones de ingravidez, se puede medir de manera especialmente prolongada y precisa si átomos de diferentes masas realmente "caen a la misma velocidad".

Para las primeras mediciones de precisión en el espacio con átomos fríos, el potasio y el rubidio son candidatos adecuados como especies atómicas. Como preparación para estas mediciones, el 23 de enero en Kiruna, Suecia, se llevaron a cabo con éxito dos experimentos en un cohete de investigación de altura. Esto ha mostrado una primera evaluación. La Universidad Humboldt de Berlín (HU) y el Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para la Tecnología de Alta Frecuencia (FBH), prueban en los proyectos KALEXUS y FOKUS tecnologías láser de vanguardia. Los demostradores tecnológicos exigentes sientan las bases para pruebas precisas del principio de equivalencia con los llamados interferómetros de átomos de potasio y rubidio y otros experimentos relacionados con la Teoría de la Relatividad de Einstein. Los investigadores esperan que estos experimentos proporcionen pistas para abordar uno de los mayores desafíos de la física moderna: la unificación de la gravitación con las otras tres interacciones fundamentales en una teoría unificada.

Experimentos láser con átomos de potasio y rubidio: KALEXUS y FOKUS

En el proyecto KALEXUS, dirigido por el grupo de Metrología Óptica de la HU, se construyó un sistema láser estable para manipular átomos de potasio. El núcleo del sistema son dos módulos láser de semiconductores desarrollados por el FBH, integrados en micro. En KALEXUS, la longitud de onda de estos módulos láser se ajusta a una transición atómica del potasio. Durante los seis minutos de ingravidez, el experimento estabiliza de forma autónoma la longitud de onda de ambos láseres. Además, el sistema láser puede cambiar de fuente láser de forma independiente durante el vuelo. Finalmente, este tipo de experimentos no se pueden repetir fácilmente, y los científicos no pueden intervenir durante el vuelo para corregir errores. Además, las mediciones no deben verse comprometidas en caso de que uno de los láseres falle.

Adicionalmente, en el proyecto FOKUS, dirigido por Menlo Systems, se construyó en la HU otro módulo láser del FBH para el sistema. El láser estabilizado en una transición atómica de rubidio tiene como objetivo demostrar la madurez tecnológica de configuraciones similares para futuras pruebas de caída de átomos en ingravidez. Además, el sistema láser permite una comparación de relojes. La frecuencia de este "oscilador óptico" se compara con la de un oscilador de cuarzo, que, como un reloj de pulsera moderno, "tic-tac" en la banda de radiofrecuencia. La Teoría de la Relatividad General también predice que el funcionamiento de todos los relojes se ve afectado de la misma manera por la gravedad, independientemente de cómo estén físicamente o técnicamente realizados. Una primera prueba en abril de 2015 confirmó la idoneidad de estos "relojes de átomos" y de los sistemas láser necesarios para verificar la Teoría de la Relatividad General en el espacio. El objetivo ahora es confirmar estos primeros resultados tras algunas optimizaciones técnicas del sistema.

Dos enfoques tecnológicos en comparación directa

Los dos experimentos utilizan diferentes tipos de láser del FBH, lo que permite comparar sus tecnologías láser para el escenario de uso. La pieza central del módulo FOKUS es un láser DFB (Distributed Feedback), que emite luz en una banda estrecha de frecuencia o longitud de onda en 780 nm. Esta estrechez espectral es uno de los requisitos principales del módulo láser, necesario para la espectroscopía de los átomos de rubidio y, por ende, para mediciones de precisión.

KALEXUS utiliza una configuración de ECDL (Extended Cavity Diode Laser), que gracias a una rejilla externa ofrece una línea aún más estrecha. El láser está optimizado para mediciones espectroscópicas con átomos de potasio y emite a una longitud de onda de 767 nm. Sin embargo, la rejilla externa, a diferencia de la configuración monolítica del láser FOKUS, puede ser más susceptible a interferencias. Finalmente, los módulos de tamaño de mano deben soportar las cargas mecánicas durante el lanzamiento del cohete con aceleraciones de hasta 15 veces la gravedad terrestre y funcionar sin problemas en el espacio.

Los proyectos KALEXUS y FOKUS son financiados por el Centro Alemán de Aviación y Espacio (DLR).

Sobre el Laboratorio Conjunto de Metrología Láser

En el marco de este Laboratorio Conjunto, se desarrollan láseres de diodo de banda muy estrecha, entre otros, para la espectroscopía óptica de precisión en el espacio. Aquí trabajan en estrecha colaboración el Instituto Ferdinand-Braun y el grupo de Metrología Óptica de la Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales de la Universidad Humboldt de Berlín. Esto permite que los intereses comunes y las experticias complementarias de HU Berlín (mediciones ópticas de precisión para cuestiones de física fundamental) y FBH (desarrollo de láseres de semiconductores) se combinen de manera óptima.