Einstein a teszten – két precíziós kísérlet lézerekkel Berlinből az űrben

Rubidium-modul a FOKUS-kísérlethez: Szálhoz kötött rubidium-modul a FOKUS-kísérlethez az űrben. ©FBH/P. Immerz

Albert Einstein relativitáselmélete szerint a vákuumban minden test, függetlenül a többi tulajdonságuktól, ugyanolyan gyorsan gyorsul a Föld gravitációs ereje által. Ez az egyenértékűségi elv érvényes kövekre, tollakra és atomokra egyaránt. A súlytalanság körülményei között különösen hosszú ideig és így pontosabban mérhető, hogy különböző tömegű atomok valóban „egyenlő gyorsan esnek-e”.

A hideg atomokkal végzett első precíziós mérésekhez az őssejtek közül a kálium és a rubídium alkalmas atomfajok. Ezen mérések előkészítéseként 2024. január 23-án Kirunában, Svédországban, két kísérletet sikeresen végrehajtottak egy magasságkutató rakétán. Ez most első értékelést eredményezett. A Humboldt-Universität zu Berlin (HU) és a Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) a KALEXUS és FOKUS projektekben a legmodernebb lézertechnológiákat teszteli. A magas színvonalú technológiai demonstrátorok alapokat teremtenek az egyenértékűségi elv precíz teszteléséhez úgynevezett kálium- és rubídium-atominterferométerekkel, valamint további Einstein-relativitáselméleti kísérletekkel. A kutatók remélik, hogy ezek a kísérletek utalásokat adhatnak a modern fizika egyik legnagyobb kihívására: a gravitáció és a többi három alapvető kölcsönhatás egységes elméletének megalkotására.

Laser kísérletek kálium- és rubídiumatomokkal: KALEXUS és FOKUS

A KALEXUS projektben a HU Optikai Metrológia csoportja egy stabil lézerrendszert épített a káliumatomok manipulálására. A központi egységet két, a FBH által kifejlesztett mikrointegrált félvezető lézermodul képezi. A KALEXUS-ben ezeket a lézermodulokat a kálium atomátmenethez hangolták. A hatperces súlytalanság során a kísérlet önállóan stabilizálja mindkét lézer hullámhosszát. Emellett a lézerrendszer a repülés során képes önállóan váltani a lézerforrások között. Végül, ilyen kísérleteket nem lehet egyszerűen megismételni, és a tudósok repülés közben nem tudnak beavatkozni. Továbbá, a mérések nem sérülhetnek, ha valamelyik lézer meghibásodik.

Ezenkívül a FOKUS projektben, melyet a Menlo Systems vezet, egy újabb FBH lézermodult építettek a HU-nál. A rubídium atomátmenethez stabilizált lézer a technológiai fejlettség demonstrálására szolgál a későbbi, súlytalanságban végzett atomtesztekhez. A lézerrendszer lehetővé teszi egy óra összehasonlítását is. Ebben a „optikai oszcillátor” frekvenciáját összevetik egy kvarcóra frekvenciájával, amely, akárcsak egy modern karóra, rádiófrekvenciás tartományban „ketyeg”. Az általános relativitáselmélet szerint ugyanis minden óra járása ugyanúgy befolyásolódik a gravitáció által, függetlenül attól, hogy fizikailag vagy technikailag hogyan valósítják meg ezeket az órákat. Az első teszt 2015 áprilisában megerősítette, hogy az ilyen „atomórák” és a hozzájuk tartozó lézerrendszerek alkalmasak az általános relativitáselmélet ellenőrzésére a világűrben. A cél most az, hogy néhány technikai finomhangolás után megerősítsék ezeket az első eredményeket.

Két technológiai megközelítés összehasonlítása

A két kísérlet különböző FBH lézertípusokat alkalmaz, ami lehetővé teszi azok összehasonlítását a felhasználási forgatókönyvek szempontjából. A FOKUS modul központi eleme egy DFB (Distributed Feedback) lézer, amely 780 nm-es hullámhosszon bocsát ki fényt. Ez a spektrális szűk sávszélesség egyik fő követelménye a lézerrendszernek, amely a rubídium atomok spektroszkópiájához és így a precíziós mérésekhez szükséges.

A KALEXUS egy ECDL (Extended Cavity Diode Laser) felépítést használ, amely egy külső hálóval még szűkebb vonalszélességet biztosít. A lézer a spektroszkópiai mérésekhez a káliumatomokhoz van optimalizálva, és 767 nm-es hullámhosszon működik. Az külső háló azonban – ellentétben a FOKUS monolitikus felépítésű lézerével – potenciálisan érzékenyebb a zavarásokra. Végül is, a kézméretű modulokat a rakétaindítás során akár 15-szörös gyorsulásnak is ki kell bírniuk, és a későbbi működésnek problémamentesnek kell lennie a világűrben.

A KALEXUS és FOKUS projektek finanszírozója a Német Lég- és Űrközpont (DLR).

A Joint Lab Laser Metrology bemutatása

A közös labor keretében nagyon szűk sávszélességű diódalézereket fejlesztenek, többek között optikai precíziós spektroszkópiához a világűrben. Ebben szorosan együttműködik a Ferdinand-Braun-Institut és a Humboldt-Universität Optikai Metrológia csoportja a Természettudományi Karán. Ezáltal a HU Berlin (az alapkutatás kérdéseire fókuszáló optikai precíziós mérési lehetőségek) és az FBH (félvezető lézerek fejlesztése) közös érdekeit és kiegészítő szakértelmét optimálisan tudják összefogni.