Einstein sur le banc d'essai – deux expériences de précision avec des lasers de Berlin dans l'espace

Module de rubidium pour l'expérience FOKUS : Module de rubidium couplé par fibre pour l'expérience FOKUS dans l'espace. ©FBH/P. Immerz

Selon la théorie de la relativité d'Albert Einstein, dans le vide, tous les corps, indépendamment de leurs autres propriétés, sont accélérés à la même vitesse par la force gravitationnelle de la Terre. Ce principe d'équivalence s'applique aussi bien aux pierres, aux plumes qu'aux atomes. Dans des conditions d'apesanteur, il est possible de mesurer de manière particulièrement longue et précise si des atomes de masses différentes tombent effectivement « à la même vitesse ».

Pour les premières mesures de précision dans l'espace avec des atomes froids, le potassium et le rubidium sont des candidates appropriées en tant qu'espèces atomiques. En préparation de ces mesures, deux expériences ont été menées avec succès le 23 janvier à Kiruna, en Suède, à bord d'une fusée de recherche en altitude. Une première analyse a maintenant été effectuée. L'Université Humboldt de Berlin (HU) et l'Institut Ferdinand-Braun, Institut Leibniz pour la technique de haute fréquence (FBH), testent dans les projets KALEXUS et FOKUS des technologies laser de pointe. Ces démonstrateurs technologiques exigeants posent les bases pour des tests précis du principe d'équivalence avec des interféromètres à atomes de potassium et de rubidium, ainsi que d'autres expériences relatives à la théorie de la relativité d'Einstein. Les chercheurs espèrent que ces expériences fourniront des indications pour relever l'un des plus grands défis de la physique moderne : l'unification de la gravitation avec les trois autres interactions fondamentales dans une théorie unique.

Expériences laser avec des atomes de potassium et de rubidium : KALEXUS et FOKUS

Dans le cadre du projet KALEXUS, dirigé par le groupe de métrologie optique de la HU, un système laser stable a été mis en place pour la manipulation des atomes de potassium. Le cœur du système est constitué de deux modules laser à semi-conducteurs microintégrés développés par le FBH. Dans KALEXUS, la longueur d'onde de ces modules laser est réglée sur une transition atomique du potassium. Pendant les six minutes d'apesanteur, l'expérience stabilise automatiquement la longueur d'onde des deux lasers. De plus, le système laser peut, pendant le vol, basculer de manière autonome entre les sources laser. Enfin, de telles expériences ne peuvent pas être simplement répétées, et les chercheurs ne peuvent pas intervenir pour corriger en vol. De plus, les mesures ne doivent pas être compromises si l'un des lasers venait à tomber en panne.

De plus, dans le cadre du projet FOKUS, dirigé par Menlo Systems, un autre module laser du FBH a été intégré au système à l'Université Humboldt. Le laser stabilisé sur une transition atomique du rubidium doit démontrer la maturité technologique des dispositifs similaires pour des tests ultérieurs d'atomes en apesanteur. Le système laser permet également une comparaison d'horloges. La fréquence de cet « oscillateur optique » est comparée à celle d’un oscillateur à quartz, qui, comme une montre moderne, « tictaque » dans la gamme de radiofréquences. La théorie de la relativité générale prévoit en effet que le fonctionnement de toutes les horloges est affecté de la même manière par la gravitation, indépendamment de leur réalisation physique ou technique. Un premier test en avril 2015 a confirmé la compatibilité de ces « horloges atomiques » et des systèmes laser nécessaires pour vérifier la théorie de la relativité générale dans l’espace. L'objectif est maintenant de confirmer ces premiers résultats après quelques optimisations techniques du système.

Deux approches technologiques en comparaison directe

Les deux expériences utilisent différents types de lasers issus du FBH, ce qui permet de comparer leurs technologies laser pour le scénario d’utilisation. La pièce maîtresse du module FOKUS est un laser DFB (Distributed Feedback), qui émet de la lumière dans une plage de fréquences ou de longueurs d’onde étroite à 780 nm. Cette bande spectrale étroite est une des exigences centrales pour le module laser, nécessaire à la spectroscopie des atomes de rubidium et donc aux mesures de précision.

KALEXUS utilise une configuration ECDL (Extended Cavity Diode Laser), qui, grâce à un réseau externe, offre une largeur de ligne encore plus étroite. Le laser est optimisé pour la spectroscopie des atomes de potassium et émet à une longueur d’onde de 767 nm. Cependant, le réseau externe le rend – contrairement à la configuration monolithique du laser FOKUS – potentiellement plus sensible aux perturbations. Enfin, les modules, de la taille d'une poignée de main, doivent résister aux contraintes mécaniques lors du lancement de la fusée avec des accélérations jusqu’à 15 fois celle de la gravité terrestre, et fonctionner sans problème dans l’espace.

Les projets KALEXUS et FOKUS sont financés par le Centre allemand pour l’aéronautique et l’espace (DLR).

À propos du Joint Lab Laser Metrology

Dans le cadre de ce Joint Lab, des diodes laser très à bande étroite, notamment pour la spectroscopie optique de précision dans l’espace, sont en cours de développement. Le Ferdinand-Braun-Institut et le groupe de métrologie optique de la Faculté de mathématiques et de sciences naturelles de l’Université Humboldt de Berlin collaborent étroitement. Cela permet de mettre à profit de manière optimale les intérêts communs et l’expertise complémentaire de l’HU Berlin (mesures optiques de précision pour des questions de physique fondamentale) et du FBH (développement de lasers à semi-conducteurs).