Einstein sul banco di prova – due esperimenti di precisione con laser da Berlino nello spazio

Modulo di Rubidio per l'esperimento FOKUS: Modulo di Rubidio accoppiato in fibra per l'esperimento FOKUS nello spazio. ©FBH/P. Immerz

Secondo la teoria della relatività di Albert Einstein, nello spazio vuoto tutti i corpi, indipendentemente dalle loro altre caratteristiche, vengono accelerati dalla forza di gravità terrestre alla stessa velocità. Questo principio di equivalenza vale per pietre, piume e atomi allo stesso modo. In condizioni di microgravità si può misurare in modo particolarmente preciso e duraturo se atomi di diversa massa cadono effettivamente "alla stessa velocità".

Per le prime misurazioni di precisione nello spazio con atomi freddi, il potassio e il rubidio sono candidati ideali come specie atomiche. In preparazione a queste misurazioni, il 23 gennaio a Kiruna, in Svezia, sono stati condotti con successo due esperimenti su un razzo di ricerca a quote elevate. Questa prima analisi ha ora mostrato i risultati. L'Università Humboldt di Berlino (HU) e l'Istituto Ferdinand-Braun, Istituto Leibniz per la tecnologia ad altissima frequenza (FBH), testano nei progetti KALEXUS e FOKUS le tecnologie laser più avanzate. I dimostratori tecnologici di alta qualità pongono le basi per test precisi del principio di equivalenza con cosiddetti interferometri atomici di potassio e rubidio e altri esperimenti sulla teoria della relatività di Einstein. I ricercatori sperano che questi esperimenti possano fornire indizi per affrontare una delle più grandi sfide della fisica moderna: l’unificazione della gravità con le altre tre interazioni fondamentali in una teoria unificata.

Esperimenti laser con atomi di potassio e rubidio: KALEXUS e FOKUS

Nel progetto KALEXUS, sotto la guida del gruppo di Metrologia Ottica dell’HU, è stato sviluppato un sistema laser stabile per la manipolazione di atomi di potassio. Il cuore del sistema sono due moduli laser a semiconduttore, microintegrati, sviluppati dall’FBH. In KALEXUS, la lunghezza d’onda di questi moduli laser viene impostata su una transizione atomica del potassio. Durante i sei minuti di microgravità, l’esperimento stabilizza autonomamente la lunghezza d’onda di entrambi i laser. Inoltre, il sistema laser può commutare autonomamente tra le fonti laser durante il volo. Dato che tali esperimenti non possono essere facilmente ripetuti e i ricercatori non possono intervenire correttivamente durante il volo, è fondamentale che le misurazioni non siano compromesse nel caso uno dei laser si guasti.

In aggiunta, nel progetto FOKUS, guidato da Menlo Systems, è stato assemblato presso l’HU un altro modulo laser dell’FBH. Il laser stabilizzato su una transizione atomica del rubidio dimostrerà la maturità tecnologica di configurazioni simili per futuri test di caduta di atomi in microgravità. Il sistema laser permette anche un confronto tra orologi: si confronta la frequenza di questo "oscillatore ottico" con quella di un oscillatore a quarzo, che "ticchetta" nel campo delle radiofrequenze come un orologio da polso moderno. La teoria della relatività generale prevede infatti che il funzionamento di tutti gli orologi sia influenzato dalla gravità allo stesso modo, indipendentemente da come siano realizzati fisicamente o tecnicamente. Un primo test, condotto nell’aprile 2015, ha confermato che tali "orologi atomici" e i sistemi laser necessari sono adatti a verificare la teoria della relatività generale nello spazio. L’obiettivo ora è confermare questi primi risultati con alcune ottimizzazioni tecniche del sistema.

Due approcci tecnologici a confronto diretto

Entrambi gli esperimenti utilizzano diversi tipi di laser prodotti dall’FBH, consentendo un confronto tra le loro tecnologie laser per lo scenario di utilizzo. Il componente principale del modulo FOKUS è un laser DFB (Distributed Feedback), che emette luce in un intervallo di frequenza e lunghezza d’onda molto stretto intorno ai 780 nm. Questa stretta banda spettrale è una delle caratteristiche principali richieste al modulo laser, necessario per la spettroscopia degli atomi di rubidio e per misurazioni di precisione.

KALEXUS utilizza invece una configurazione ECDL (Extended Cavity Diode Laser), che grazie a un reticolo esterno offre una linea ancora più stretta. Il laser è ottimizzato per le misurazioni spettroscopiche con atomi di potassio e emette a una lunghezza d’onda di 767 nm. Tuttavia, il reticolo esterno lo rende, a differenza del laser FOKUS a configurazione monolitica, potenzialmente più suscettibile a interferenze. Infine, i moduli, grandi come una mano, devono resistere alle sollecitazioni meccaniche durante il lancio del razzo, con accelerazioni fino a 15 volte l’accelerazione di gravità terrestre, e funzionare senza problemi nello spazio.

I progetti KALEXUS e FOKUS sono finanziati dal Centro tedesco per l’aeronautica e lo spazio (DLR).

Sul Joint Lab Laser Metrology

Nel quadro di questo Joint Lab vengono sviluppati laser a diodo molto stretti di banda, tra cui per la spettroscopia ottica di precisione nello spazio. In questo progetto collaborano strettamente l’Istituto Ferdinand-Braun e il gruppo di Metrologia Ottica della Facoltà di Matematica e Scienze Naturali dell’Università Humboldt di Berlino. In questo modo, le competenze e gli interessi comuni di HU Berlino (misure ottiche di precisione per questioni di fisica fondamentale) e FBH (sviluppo di laser a semiconduttore) vengono ottimizzati e integrati al meglio.