Primera vez que se prueba un sensor cuántico en el espacio — con un sistema láser de Berlín

MOPA-Módulo láser para MAIUS: Módulo láser de oscilador maestro amplificador de potencia (MOPA) híbrido integrado para espectroscopía de precisión de rubidio en el espacio desarrollado por el Ferdinand-Braun-Institut — tres de estos módulos MOPA junto con dos módulos redundantes están integrados en el sistema láser. (© FBH/schurian.com)

Sistema láser MAIUS: Sistema láser MAIUS, con el que se ha generado por primera vez en el espacio un condensado de Bose-Einstein. Tiene aproximadamente el tamaño de una caja de zapatos y pesa 27 kg. Los módulos láser de integración híbrida del FBH se encuentran en la parte inferior del sistema, en la parte superior se prepara la luz láser para su transmisión al experimento principal. (© Universidad Humboldt de Berlín) / Sistema láser MAIUS: Utilizado para crear con éxito un condensado de Bose-Einstein por primera vez en el espacio. Tiene aproximadamente el tamaño de una caja de zapatos con una masa de 27 kg. Los módulos láser del FBH están integrados en la parte inferior del disipador de calor, la parte superior alberga módulos para el procesamiento adicional de la luz que se transferirá al experimento principal. (© Universidad Humboldt de Berlín)

Por primera vez en el espacio, se creó una nube de átomos ultracongelados a bordo de un cohete de investigación en altura. Con ello, la misión MAIUS logró demostrar que los sensores cuántico-ópticos también pueden ser utilizados en entornos adversos como el espacio exterior, una condición previa para responder a preguntas fundamentales de la ciencia y para impulsar la innovación en aplicaciones cotidianas.

Según el principio de equivalencia de Einstein, todos los cuerpos, independientemente de sus demás propiedades, son acelerados con la misma fuerza gravitatoria. Este principio es válido para piedras, resortes y átomos por igual. Bajo condiciones de ingravidez, se puede medir de manera especialmente prolongada y precisa si átomos de diferentes masas realmente "caen a la misma velocidad en el campo gravitatorio de la Tierra" o si debemos corregir nuestra visión de lo que mantiene unido el mundo en su interior.

Un consorcio nacional, que incluye al Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia (FBH) y la Universidad Humboldt de Berlín (HU), ha logrado un paso histórico en la misión MAIUS hacia la prueba del principio de equivalencia en el microcosmos de los objetos cuánticos. El 23 de enero de 2017, se generó por primera vez en el espacio una nube de átomos de rubidio a temperaturas de nano-Kelvin. Estos fueron enfriados con luz láser y radiofrecuencias de tal manera que los átomos individuales formaron un solo objeto cuántico, un condensado de Bose-Einstein. Más de 20 años después de los trabajos pioneros de los premios Nobel Cornell, Ketterle y Wieman en el campo de los átomos ultracongelados, la evaluación preliminar de los datos científicos indica que experimentos similares también pueden realizarse en las duras condiciones del espacio, cuando en 1995 se requerían aparatos del tamaño de una sala en un entorno de laboratorio especializado. El sensor cuántico de hoy es solo del tamaño de un congelador y, a pesar de las enormes cargas mecánicas y térmicas de un lanzamiento de cohete, permanece operativo. Con esta misión, se sentaron las bases para el uso futuro de sensores cuánticos en el espacio. Los investigadores esperan que esto proporcione pistas para afrontar uno de los mayores desafíos de la física moderna: la unificación de la gravedad con las otras tres interacciones fundamentales (fuerza fuerte y débil, electromagnetismo) en una teoría unificada. Al mismo tiempo, estos experimentos impulsan la innovación en un amplio espectro de aplicaciones, desde la navegación sin GPS hasta la geodesia espacial, la medición de la superficie terrestre.

Amplio conocimiento en módulos láser para requisitos espaciales

El FBH desarrolló para esta misión módulos láser híbridos microintegrados y aptos para el espacio, basados en semiconductores. La HU, junto con otros socios en óptica y espectroscopía, integró estos módulos en un sistema láser funcional y lo calificó. La misión fue coordinada por un consorcio nacional liderado por la Universidad Leibniz de Hannover. No solo demuestra que los experimentos cuántico-ópticos con átomos ultracongelados también pueden realizarse en el espacio, sino que también permite al FBH y a la HU probar su tecnología de sistemas láser en condiciones reales y usar los resultados para preparar futuras misiones ya planificadas. Para ambas instituciones, no es la primera vez que utilizan su tecnología láser en el espacio. Ya en abril de 2015 y enero de 2016, componentes tecnológicos de la misión actual fueron probados con éxito a bordo de dos cohetes de investigación en altura en los experimentos FOKUS y KALEXUS.

MAIUS: Interferometría de ondas de materia en ingravidez

La misión MAIUS, financiada por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) con fondos del Ministerio Federal de Economía y Energía, prueba todas las tecnologías clave de un sensor cuántico espacial en un cohete de investigación en altura: cámara de vacío, sistema láser, electrónica y software. Esto hace de MAIUS un hito histórico para futuras misiones en el espacio que aprovechen todo el potencial de la tecnología cuántica. Por primera vez en el mundo, se generó e investigó interferométricamente un condensado de Bose-Einstein de átomos de rubidio en un cohete de investigación en altura. Este estado de la materia permite mediciones de aceleraciones y rotaciones de alta precisión. Se utilizan pulsos de luz láser como referencia para medir con gran precisión la posición de la nube de átomos en diferentes momentos.

Dirigido por el grupo de Metrología Óptica de la HU, se desarrolló un sistema compacto y estable de láseres de diodo para el enfriamiento láser y la interferometría de átomos con átomos de rubidio ultracongelados en un cohete de investigación en altura. El sistema láser para el experimento principal de MAIUS consta de cuatro módulos láser de diodo, que el FBH ha realizado como módulos láser híbridos integrados. Los láseres maestros consisten en un láser monolítico de retroalimentación distribuida (DFB), cuya frecuencia está estabilizada a un tránsito óptico en el rubidio. Generan radiación óptica espectralmente pura y altamente estable (~ 1 MHz de ancho de línea) con baja potencia (unos 10 mW) a 780 nanómetros. Tres osciladores maestros con amplificadores de potencia híbridos, referenciados a estos láseres maestros, se encargan del enfriamiento láser de los átomos y de la interferometría. La radiación de un láser DFB se amplifica sin pérdida de estabilidad espectral mediante un amplificador trapezoidal con una sección de entrada de guía de ondas en cresta, alcanzando potencias superiores a 1 vatio. Para garantizar el éxito de la misión, se integraron además dos módulos de redundancia. La luz láser se acondiciona mediante componentes de fibra óptica y se dirige a la cámara de experimentos, y para el conmutado rápido de la luz se utilizan moduladores acusto-ópticos en una configuración de haz libre.

Además, se integró un demostrador de tecnología láser para futuras misiones, que contiene dos módulos láser de diodo de cavidad extendida (ECDL) microintegrados desarrollados por el FBH. Estos módulos son especialmente necesarios para futuros experimentos de interferometría de átomos que exigen requisitos más estrictos en la estabilidad espectral del láser.