Sensore quantistico per la prima volta testato nello spazio – con un sistema laser di Berlino

Modulo laser MOPA per MAIUS: Modulo laser a oscillatore master potenziato ibrido integrato (MOPA) per la spettroscopia di precisione del rubidio nello spazio sviluppato dall'Istituto Ferdinand-Braun – tre di questi moduli MOPA insieme a due moduli ridondanti sono integrati nel sistema laser. (© FBH/schurian.com)

MAIUS-Sistema Laser: Sistema laser MAIUS, con cui nello spazio è stato creato per la prima volta un condensato di Bose-Einstein. È grande circa quanto una scatola di scarpe e pesa 27 kg. I moduli laser integrati ibridi del FBH si trovano nella parte inferiore del sistema, mentre sulla parte superiore vengono preparati i fasci laser per il trasferimento all'esperimento principale. (© Humboldt-Universität zu Berlin) / Sistema laser MAIUS: Utilizzato per creare con successo un condensato di Bose-Einstein per la prima volta nello spazio. È grande circa quanto una scatola di scarpe con una massa di 27 kg. I moduli laser del FBH sono integrati sul lato inferiore del dissipatore di calore, mentre sul lato superiore si trovano i moduli per l'elaborazione ulteriore della luce da trasferire all'esperimento principale. (© Humboldt-Universität zu Berlin)

Su bordo di un razzo di ricerca in quota è stata creata per la prima volta nello spazio una nube di atomi ultrafreddi. Con questo, la missione MAIUS ha dimostrato che i sensori ottici quantistici possono essere utilizzati anche in ambienti difficili come lo spazio – una condizione necessaria per rispondere a domande fondamentali della scienza e per essere un motore di innovazione per applicazioni quotidiane.

Secondo il principio di equivalenza di Einstein, tutti i corpi, indipendentemente dalle loro altre proprietà, sono accelerati con la stessa forza gravitazionale. Questo principio vale per pietre, molle e atomi allo stesso modo. In condizioni di microgravità, è possibile misurare con particolare precisione e per lunghi periodi se atomi di diversa massa cadono effettivamente "alla stessa velocità nel campo gravitazionale della Terra" o se dobbiamo correggere la nostra visione di ciò che tiene insieme il mondo più profondo.

Un consorzio nazionale, a cui partecipano anche l'Istituto Ferdinand-Braun, l'Istituto Leibniz per la tecnologia ad alta frequenza (FBH) e l'Università Humboldt di Berlino (HU), ha compiuto un passo storico nel quadro della missione MAIUS verso un test del principio di equivalenza nel microcosmo degli oggetti quantistici. Il 23 gennaio 2017, nello spazio, è stata creata per la prima volta una nube di atomi di rubidio a nano-Kelvin di temperatura. Questa è stata raffreddata con luce laser e frequenze radio in modo che gli atomi singoli formassero un unico oggetto quantistico, un condensato di Bose-Einstein. Circa 20 anni dopo i lavori rivoluzionari dei vincitori del Nobel Cornell, Ketterle e Wieman nel campo degli atomi ultrafreddi, l'analisi preliminare dei dati scientifici suggerisce che tali esperimenti possono essere condotti anche in condizioni difficili nello spazio – nel 1995, erano necessari apparecchiature di dimensioni simili a un soggiorno per esperimenti in ambienti di laboratorio speciali. Il sensore ottico quantistico di oggi è grande quanto un frigorifero e rimane operativo nonostante le enormi sollecitazioni meccaniche e termiche di un lancio di un razzo. Con questa missione, è stata posta la base per l'uso futuro di sensori quantistici nello spazio. I ricercatori sperano di ottenere indicazioni per affrontare una delle sfide forse più grandi della fisica moderna: l’unificazione della gravità con le altre tre forze fondamentali (forza forte e debole, elettromagnetismo) in una teoria unificata. Allo stesso tempo, questi esperimenti sono motori di innovazione per un ampio spettro di applicazioni, dalla navigazione senza GPS alla geodesia spaziale, alla misurazione della superficie terrestre.

Competenze approfondite nei moduli laser per le esigenze spaziali

Il FBH ha sviluppato per questa missione moduli laser ibridi microintegrati, adatti allo spazio, basati su semiconduttori. Questi sono stati integrati e qualificati dal HU insieme ad altri moduli ottici e spettroscopici di partner diversi, formando un sistema laser funzionale complessivo. La missione è stata coordinata da un consorzio nazionale guidato dall'Università Leibniz di Hannover. Non solo dimostra che gli esperimenti ottici quantistici con atomi ultrafreddi possono essere condotti anche nello spazio, ma offre anche a FBH e HU l'opportunità di testare la loro tecnologia di sistemi laser in condizioni reali e di utilizzare i risultati per preparare ulteriori missioni già pianificate. Per entrambe le istituzioni, questa non è la prima applicazione della loro tecnologia laser nello spazio. Già nel aprile 2015 e nel gennaio 2016, alcuni componenti tecnologici della missione attuale sono stati testati con successo a bordo di due razzi di ricerca in quota negli esperimenti FOKUS e KALEXUS.

MAIUS: Interferometria di onde di materia in microgravità

La missione MAIUS, finanziata dall'Agenzia spaziale tedesca DLR con fondi del Ministero federale dell'economia e dell'energia, testa tutte le tecnologie chiave di un sensore quantistico spaziale su un razzo di ricerca in quota: camera a vuoto, sistema laser, elettronica e software. Con questo, MAIUS rappresenta un traguardo storico per future missioni nello spazio che sfruttano appieno il potenziale della tecnologia quantistica. Per la prima volta nel mondo, è stato generato e studiato interferometricamente un condensato di Bose-Einstein di atomi di rubidio su un razzo di ricerca in quota. Questo stato della materia permette misurazioni di accelerazioni e rotazioni ad alta precisione. Viene utilizzato un impulso di luce laser come riferimento per misurare con estrema precisione la posizione della nube di atomi in diversi momenti.

Sotto la guida del gruppo di Metrologia Ottica dell'HU, è stato sviluppato un sistema compatto e stabile di diodi laser per l'illuminazione laser e l'interferometria con atomi di rubidio ultrafreddi su un razzo di ricerca in quota. Il sistema laser per il funzionamento dell'esperimento principale di MAIUS è costituito da quattro moduli laser a diodo, realizzati dal FBH come moduli laser ibridi integrati. I laser master sono costituiti ciascuno da un laser DFB (Distributed Feedback) monolitico, la cui frequenza è stabilizzata su un transizione ottica nel rubidio. Essi generano radiazioni ottiche di linea pura e alta stabilità (~ 1 MHz di larghezza di linea) a bassa potenza (alcuni 10 mW) a 780 nanometri di lunghezza d’onda. Tre oscillatori di potenza master, riferiti a questi laser master e integrati in modo ibrido, sono responsabili dell’illuminazione laser degli atomi e dell’interferometria. La loro radiazione, proveniente da un laser DFB, viene amplificata senza perdita di stabilità spettrale tramite un amplificatore a trapezio con sezione di ingresso a onda risonante, fino a potenze superiori a 1 watt. Per garantire il successo della missione, sono stati integrati anche due moduli di ridondanza. La luce laser viene preparata tramite componenti ottici in fibra e trasmessa alla camera di esperimento; per il rapido commutamento della luce, vengono utilizzati modulatore acusto-ottici in configurazione a fascio libero.

Inoltre, per future missioni, è stato integrato un dimostratore di tecnologia laser contenente due moduli laser a diodo a cavità estesa (ECDL) sviluppati dal FBH. Questi moduli sono particolarmente necessari per esperimenti di interferometria atomica più rigorosi, che richiedono una stabilità spettrale superiore dei laser.