Első alkalommal kvantumoptikai szenzort teszteltek az űrben – egy berlini lézeres rendszerrel

MOPA-lézermodul a MAIUS számára: Hibrid integrált master-oscillator-power-amplifier (MOPA) lézermodul a Ferdinand-Braun-Institut-tól a rubídium precíziós spektroszkópiához az űrben – három ilyen MOPA-modul és két redundancia-modul van integrálva a lézer rendszerbe. (©FBH/schurian.com) / MOPA lézermodul a MAIUS számára: Hibrid-integrált master-oscillator power-amplifier (MOPA) lézermodul rubídium precíziós spektroszkópiához az űrben, amelyet a Ferdinand-Braun-Institut fejlesztett ki – három ilyen MOPA-modul és két redundáns modul van integrálva a lézer rendszerbe. (© FBH/schurian.com)

MAIUS-Lasersystem: A MAIUS-Lasersystem, amellyel az űrben elsőként sikerült Bose–Einstein-kondenzátumot létrehozni. Körülbelül akkora, mint egy cipősdoboz, és 27 kg súlyú. A FBH hibrid-integrált lézermoduljai a rendszer alján helyezkednek el, a felső oldalon pedig a lézerfény előkészítése történik a főkísérlethez való továbbítás érdekében. (© Humboldt-Universität zu Berlin) / MAIUS lézer rendszer: Az első sikeres Bose-Einstein-kondenzátum létrehozására az űrben. Körülbelül olyan nagy, mint egy cipősdoboz, és 27 kg a súlya. A FBH lézermoduljai a hőcserélő alján vannak integrálva, a felső oldalon pedig a fény további feldolgozására szolgáló modulok találhatók, amelyek a főkísérlethez kerülnek átadásra. (© Humboldt-Universität zu Berlin)

Az egyik magasságkutató rakétán elsőként a világűrben ultrahideg atomfelhőt hoztak létre. Ezáltal a MAIUS-misszió bizonyította, hogy a kvantoptikai érzékelők akár zord körülmények között, például a világűrben is alkalmazhatók – ez a feltétele annak, hogy alapvető tudományos kérdéseket megválaszoljunk, és az innovációt a mindennapi alkalmazások élére állítsuk.

Az Einstein-féle egyenértékűségi elv szerint minden test, függetlenül egyéb tulajdonságaitól, ugyanakkora erővel gyorsul a gravitációs erő hatására. Ez az elv érvényes a kövekre, rugókra és atomokra egyaránt. A súlytalanság körülményei között különösen hosszú ideig lehet mérni, és így pontosabban lehet megállapítani, hogy a különböző tömegű atomok valóban „ugyanolyan gyorsan esnek-e a Föld gravitációs mezejében”, vagy módosítanunk kell a világképünket arról, ami a világot belülről összetartja.

Egy nemzeti konzorcium, amelyhez a Ferdinand-Braun-Institut, a Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) és a Humboldt-Universität zu Berlin (HU) is tartozik, a MAIUS-misszió keretében történelmi lépést tett a kvantumobjektumok mikrokoszmoszában való egyenértékűségi elv tesztelése felé. 2017. január 23-án elsőként hoztak létre a világűrben egy nanokelvinre hűtött rubidium atomfelhőt. Ezt lézerfénnyel és rádióhullámokkal hűtötték, hogy az egyes atomok szinte egyetlen kvantumobjektummá, Bose–Einstein-kondenzátummá alakuljanak. Körülbelül 20 évvel a Nobel-díjas Cornell, Ketterle és Wieman ultrahideg atomok területén végzett áttörő munkái után a tudományos adatok előzetes értékelése arra utal, hogy ilyen kísérletek a zord körülmények között is elvégezhetők a világűrben – 1995-ben ehhez speciális laboratóriumi környezetben, lakószobaméretű berendezésekkel volt szükség. A mai kvantumoptikai érzékelő akkora, mint egy fagyasztószekrény, és a rakétakilövés során fellépő hatalmas mechanikus és hőmérsékleti terhelések ellenére is működőképes marad. Ezzel a misszióval megalapozták a kvantumszenzorok jövőbeli alkalmazását a világűrben. A kutatók remélik, hogy ez utat nyit a modern fizika egyik legnagyobb kihívásának, a gravitáció egyesítésének a többi három alapvető kölcsönhatással (az erős és gyenge maggyengítő erő, az elektromágnesesség) – egy egységes elmélet felé. Emellett ezek a kísérletek az innováció motorjai is, széles körű alkalmazási területeken, például a GPS nélküli navigációtól a világűrből támogatott geodéziáig, a Föld felszínének méréséig.

Átfogó know-how lézermodulok terén a világűr igényeihez

A FBH ezen a misszión hibrid mikrointegrált, világűr-biztos lézermodulokat fejlesztett, amelyek félvezető alapúak. Ezeket a HU és más optikai és spektroszkópiai modulokat tartalmazó partnerek integrálták egy működőképes teljes lézerrendszerré, és minősítették. A missziót egy nemzeti konzorcium koordinálta, amelyet a Leibniz-Universität Hannover vezetett. Nemcsak azt mutatja, hogy ultrahideg atomokkal végzett kvantoptikai kísérletek a világűrben is elvégezhetők, hanem lehetőséget ad a FBH és a HU számára, hogy lézertechnológiájukat valós körülmények között teszteljék, és az eredményeket a már tervezett további missziók felkészítésére használják. Mindkét intézmény számára ez nem az első alkalom, hogy lézertechnológiájukat a világűrben alkalmazzák. Már 2015 áprilisában és 2016 januárjában sikeresen tesztelték a jelenlegi misszió technológiai elemeit két magasságkutató rakéta fedélzetén, a FOKUS és a KALEXUS kísérletekben.

MAIUS: Anyagszóró interferometria súlytalanságban

A Német Lég- és Űrközpont (DLR), a Szövetségi Gazdasági és Energiaügyi Minisztérium támogatásával, a MAIUS-misszió minden kulcsfontosságú technológiát tesztel egy magasságkutató rakétán: vákuumkamrát, lézeres rendszert, elektronikát és szoftvert. Ezáltal a MAIUS történelmi mérföldkő a jövőbeli űrbéli küldetések számára, amelyek kihasználják a kvantumtechnológia teljes potenciálját. Világszerte elsőként hoztak létre egy rubidium-atomokból álló Bose–Einstein-kondenzátumot egy magasságkutató rakétán, és interferometrikusan vizsgálták. Ez az anyagállapot lehetővé teszi a gyorsulások és forgások rendkívül pontos mérését. A mérések során lézerimpulzusokat használnak referenciaként, hogy nagyon precízen mérjék az atomfelhő helyzetét különböző időpontokban.

Az HU Optikai Metrológia csoportja által vezetett kutatócsoport kompakt és stabil diódalézer-rendszert fejlesztett ki a lézeres hűtéshez és az atominterferometriához ultrahideg rubidium-atomokkal egy magasságkutató rakétán. A MAIUS főkísérletének lézeres rendszerét négy diódalézer-modul alkotja, amelyeket a FBH hibrid integrált lézermodulként valósított meg. A mesterlézerek monolitikus, Distributed-Feedback (DFB) típusú lézerek, amelyek frekvenciáját rubidium optikai átmenetéhez stabilizálták. Spektrálisan tiszta és magas stabilitású (~1 MHz vonalszélességű) (~10 mW teljesítményű) 780 nanométeres hullámhosszú optikai sugárzást bocsátanak ki. Három, ezekhez a mesterlézerekhez referenciaként kapcsolt hibrid integrált mester-oszcillátor-erősítő (Master-Oscillator-Power-Amplifier) felelős az atomok lézeres hűtéséért és az interferometriaért. Ezek a modulok a DFB-lézer sugárzását veszteség nélkül, egy trapéz alakú erősítőben, bordás hullámvezető bemeneti szekcióval erősítik akár 1 watt fölötti teljesítményre. A sikeres misszió érdekében két redundáns modult is beépítettek. A lézerfény faserősítő elemekkel kerül feldolgozásra és az kísérleti kamrába továbbítva, gyors kapcsolására akusztikus-optikai modulátorokat alkalmaznak nyílt légköri kialakításban.

Ezenkívül a jövőbeli küldetések számára integráltak egy lézertechnológiai demonstrátort, amely két, a FBH által kifejlesztett, mikrointegrált Extended Cavity Diode Laser (ECDL) félvezető lézermodult tartalmaz. Ezek a modulok különösen a jövőbeli atominterferometriai kísérletekhez szükségesek, amelyek szigorúbb spektrális stabilitási követelményeket támasztanak a lézerek felé.