Premier test d'un capteur quantique dans l'espace — avec un système laser de Berlin

Module laser MOPA pour MAIUS : Module laser hybride intégré maître-oscillateur-amplificateur de puissance (MOPA) pour la spectroscopie de précision du rubidium dans l'espace développé par l'Institut Ferdinand-Braun – trois de ces modules MOPA ainsi que deux modules redondants sont intégrés dans le système laser. (© FBH/schurian.com)

Système laser MAIUS : Système laser MAIUS, avec lequel un condensat de Bose-Einstein a été créé pour la première fois dans l'espace. Il mesure environ la taille d'une boîte à chaussures et pèse 27 kg. Les modules laser intégrés hybrides du FBH se trouvent en bas du système, tandis qu'en haut, le faisceau laser est préparé pour être transféré à l'expérience principale. (© Humboldt-Universität zu Berlin) / Système laser MAIUS : Utilisé pour créer avec succès un condensat de Bose-Einstein pour la première fois dans l'espace. Il fait à peu près la taille d'une boîte à chaussures avec une masse de 27 kg. Les modules laser du FBH sont intégrés sur la face inférieure du dissipateur thermique, la face supérieure abrite des modules pour le traitement ultérieur de la lumière à transférer à l'expérience principale. (© Humboldt-Universität zu Berlin)

À bord d'une fusée de recherche en altitude, une première mondiale a permis de créer un nuage d'atomes ultrafroids dans l'espace. La mission MAIUS a ainsi démontré que les capteurs optiques quantiques peuvent également être utilisés dans des environnements difficiles comme l'espace – une condition préalable pour répondre aux questions fondamentales de la science et pour stimuler l'innovation dans des applications quotidiennes.

Selon le principe d'équivalence d'Einstein, tous les corps, indépendamment de leurs autres propriétés, sont accélérés avec la même force gravitationnelle. Ce principe s'applique aussi bien aux pierres, aux ressorts qu'aux atomes. Dans des conditions d'apesanteur, il est possible de mesurer de manière particulièrement longue et précise si des atomes de différentes masses tombent effectivement « aussi vite » dans le champ gravitationnel de la Terre, ou si notre conception de ce qui maintient le monde ensemble au plus profond doit être corrigée.

Un consortium national, comprenant notamment l'Institut Ferdinand-Braun, l'Institut Leibniz pour la haute fréquence (FBH) et l'Université Humboldt de Berlin (HU), a franchi une étape historique dans le cadre de la mission MAIUS, en réalisant un test de principe d'équivalence dans le microcosme des objets quantiques. Le 23 janvier 2017, une première mondiale a permis de créer dans l'espace un nuage d'atomes de rubidium à quelques nanokelvins. Ces atomes ont été refroidis à l'aide de lumière laser et de radiofréquences de façon à former une seule entité quantique, un condensat de Bose-Einstein. Plus de 20 ans après les travaux révolutionnaires des lauréats du prix Nobel Cornell, Ketterle et Wieman dans le domaine des atomes ultrafroids, l’analyse préliminaire des données scientifiques indique que de telles expériences peuvent également être menées dans les conditions difficiles de l’espace – alors qu’en 1995, des appareils de la taille d’un salon étaient nécessaires dans un environnement de laboratoire spécialisé. Le capteur optique quantique d’aujourd’hui est aussi petit qu’un congélateur et reste opérationnel malgré les contraintes mécaniques et thermiques énormes d’un lancement de fusée. Cette mission a posé les bases pour l’utilisation future de capteurs quantiques dans l’espace. Les chercheurs espèrent en tirer 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 (force forte, force faible, électromagnétisme) dans une théorie unifiée. Par ailleurs, ces expériences sont des moteurs d’innovation pour un large éventail d’applications, allant de la navigation sans GPS à la géodésie spatiale, c’est-à-dire la mesure de la surface terrestre.

Compétences approfondies en modules laser pour les exigences spatiales

Le FBH a développé pour cette mission des modules laser hybrides microintégrés, adaptés à l’espace, basés sur des semi-conducteurs. L’HU, en collaboration avec d’autres partenaires, a intégré ces modules dans un système laser fonctionnel et l’a qualifié. La mission a été coordonnée par un consortium national dirigé par l’Université Leibniz de Hanovre. Elle montre non seulement que des expériences optiques quantiques avec des atomes ultrafroids peuvent être menées dans l’espace, mais offre également au FBH et à l’HU l’opportunité de tester leur technologie de systèmes laser dans des conditions réelles d’utilisation et d’utiliser ces résultats pour préparer d’autres missions déjà planifiées. Pour ces deux institutions, ce n’est pas la première utilisation de leur technologie laser dans l’espace. Déjà en avril 2015 et janvier 2016, des composants technologiques de la mission actuelle ont été testés avec succès à bord de deux fusées de recherche en altitude lors des expériences FOKUS et KALEXUS.

MAIUS : Interférométrie par ondes de matière en apesanteur

La mission MAIUS, financée par le Centre allemand pour l’aéronautique et l’espace (DLR) avec des fonds du ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie, teste toutes les technologies clés d’un capteur quantique spatial sur une fusée de recherche en altitude : chambre à vide, système laser, électronique et logiciel. MAIUS constitue ainsi une étape historique pour les futures missions spatiales exploitant tout le potentiel de la technologie quantique. Pour la première fois dans le monde, un condensat de Bose-Einstein d’atomes de rubidium a été créé et étudié par interférométrie dans une fusée de recherche en altitude. Cet état de la matière permet des mesures très précises d’accélérations et de rotations. Des impulsions de lumière laser sont utilisées comme référence pour mesurer avec une grande précision la position de la nuée d’atomes à différents moments.

Sous la direction du groupe de métrologie optique de l’HU, un système laser à diodes compact et stable a été développé pour le refroidissement laser et l’interférométrie atomique avec des atomes de rubidium ultrafroids sur une fusée de recherche en altitude. Le système laser pour le fonctionnement de l’expérience principale de MAIUS se compose de quatre modules laser à diodes, réalisés par le FBH en tant que modules laser hybrides intégrés. Les lasers maîtres sont chacun constitués d’un laser monolithique à rétroaction distribuée (DFB), dont la fréquence est stabilisée sur un transition optique dans le rubidium. Ils génèrent une radiation optique spectrale pure et très stable (~ 1 MHz de largeur de ligne) à faible puissance (quelques dizaines de milliwatts) à 780 nanomètres. Trois oscillateurs maîtres à diodes, référencés à ces lasers maîtres, sont responsables du refroidissement laser des atomes et de l’interférométrie. La radiation d’un laser DFB est amplifiée sans perte de stabilité spectrale par un amplificateur à section de guide d’ondes en trapèze, pouvant atteindre plus d’un watt. Pour assurer le bon déroulement de la mission, deux modules de redondance ont également été intégrés. La lumière laser est traitée par des composants à fibre optique et dirigée vers la chambre d’expérimentation. Des modulateurs acousto-optiques sont utilisés dans une configuration en faisceau libre pour un commutateur rapide de la lumière.

De plus, un démonstrateur de technologie laser a été intégré pour de futures missions, comprenant deux modules laser à diode à cavité étendue (ECDL) microintégrés développés par le FBH. Ces modules sont particulièrement destinés à des expériences d’interférométrie atomique plus exigeantes en termes de stabilité spectrale du laser.