Eerste kwantumoptische sensor in de ruimte getest – met een lasersysteem uit Berlijn

MOPA-lasermodul voor MAIUS: Hybride geïntegreerd master-oscillator power-amplifier (MOPA) lasermodul voor rubidiumprecisie-spectroscopie in de ruimte ontwikkeld door het Ferdinand-Braun-Institut – drie van deze MOPA-modules samen met twee redundantiemodules zijn geïntegreerd in het lasersysteem. (© FBH/schurian.com)

MAIUS-Lasersystem: MAIUS-Lasersystem, mit dem im Weltraum erstmalig ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt wurde. Es ist in etwa so groß wie ein Schuhkarton und wiegt 27 kg. Die hybrid-integrierten Lasermodule des FBH befinden sich unten im System, auf der Oberseite wird das Laserlicht für die Weiterleitung an das Hauptexperiment aufbereitet. (© Humboldt-Universität zu Berlin) / MAIUS-lasersysteem: Gebruikt, um erstmals im Weltraum ein Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen. Es ist etwa so groß wie eine Schuhschachtel und wiegt 27 kg. Die Lasermodule des FBH sind auf der Unterseite des Kühlkörpers integriert, die Oberseite beherbergt Module zur Weiterverarbeitung des Lichts für das Hauptexperiment. (© Humboldt-Universität zu Berlin)

Op een boord van een hoogtemeter-raket werd voor het eerst in de ruimte een wolk ultrakoude atomen geproduceerd. Hiermee heeft de MAIUS-missie aangetoond dat kwantoptische sensoren ook in ruwe omgevingen zoals de ruimte kunnen worden ingezet – een voorwaarde om fundamentele wetenschappelijke vragen te kunnen beantwoorden en een drijvende kracht voor innovaties in alledaagse toepassingen.

Volgens het Einsteiniaanse equivalentiprincipe worden alle lichamen, ongeacht hun andere eigenschappen, even sterk door de zwaartekracht versneld. Dit principe geldt voor stenen, veren en atomen in gelijke mate. Onder de omstandigheden van gewichtloosheid kan bijzonder lang en dus nauwkeurig worden gemeten of verschillende zware atomen daadwerkelijk „even snel vallen in het zwaarteveld van de aarde“ of dat ons beeld van wat de wereld in haar diepste kern bijeenhoudt, moet worden bijgesteld.

Een nationaal consortium, waartoe ook het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) en de Humboldt-Universität zu Berlin (HU) behoren, heeft nu binnen het kader van de MAIUS-missie een historische stap gezet op weg naar een test van het equivalenti-principe in de microkosmos van kwantumobjecten. Op 23 januari 2017 werd voor het eerst in de ruimte een wolk van nanokelvin-koude rubidiumatomen geproduceerd. Deze werd met laserlicht en radiofrequenties zodanig afgekoeld dat de individuele atomen min of meer één enkel kwantumobject vormden, een Bose-Einstein-condensaat. Ruim 20 jaar na de baanbrekende werken van Nobelprijswinnaars Cornell, Ketterle en Wieman op het gebied van ultrakoude atomen, wijst de voorlopige analyse van de wetenschappelijke gegevens erop dat dergelijke experimenten ook onder de ruwe omstandigheden in de ruimte kunnen worden uitgevoerd – in 1995 waren daarvoor nog apparaten ter grootte van een woonkamer in speciale laboratoriumomgevingen nodig. De kwantoptische sensor van vandaag is slechts zo groot als een vrieskast en blijft, ondanks de enorme mechanische en thermische belastingen van een raketstart, operationeel. Met deze missie is de basis gelegd voor het toekomstige gebruik van kwantensensoren in de ruimte. De onderzoekers hopen hiermee aanwijzingen te krijgen voor het overwinnen van een van de mogelijk grootste uitdagingen in de moderne fysica: de vereniging van de zwaartekracht met de andere drie fundamentele interacties (sterke en zwakke kracht, elektromagnetisme) in één enkele theorie. Tegelijkertijd zijn deze experimenten drijvende krachten achter een breed scala aan toepassingen, van GPS-vrije navigatie tot ruimtelijk geodesie, de meting van het aardoppervlak.

Uitgebreide knowhow in lasermodules voor ruimtevaarttoepassingen

Het FBH heeft voor deze missie hybride microgeïntegreerde, ruimtevaartbestendige lasermodules ontwikkeld die op halfgeleiders gebaseerd zijn. Deze zijn door de HU samen met andere optische en spectroscopische modules van andere partners tot een functioneel geheel lasersysteem samengebracht en gekwalificeerd. De missie werd gecoördineerd door een nationaal consortium onder leiding van de Leibniz Universiteit Hannover. Het toont niet alleen aan dat kwantoptische experimenten met ultrakoude atomen ook in de ruimte kunnen worden uitgevoerd, maar geeft het FBH en de HU ook de mogelijkheid om hun laser-systeemtechnologie onder realistische gebruiksomstandigheden te testen en de resultaten te gebruiken ter voorbereiding op verdere, reeds geplande missies. Voor beide instellingen is dit niet de eerste inzet van hun lasertechnologie in de ruimte. Al in april 2015 en januari 2016 konden technologische bouwstenen van de huidige missie succesvol worden getest aan boord van twee hoogtemeter-raketten in de experimenten FOKUS en KALEXUS.

MAIUS: Materiewelleninterferometrie onder gewichtloosheid

De door het Duitse Centrum voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR), gefinancierd door het Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, ondersteunde missie MAIUS test alle kerntechnologieën van een ruimtevaart-kwantensensor op een hoogtemeter-raket: vacuümkamer, lasersysteem, elektronica en software. Daarmee is MAIUS een historische mijlpaal voor toekomstige ruimtemissies die het volledige potentieel van kwantumtechnologie willen benutten. Wereldwijd voor het eerst werd een Bose-Einstein-condensaat van rubidiumatomen geproduceerd en interferometrisch onderzocht op een hoogtemeter-raket. Deze materiestand stelt uiterst precieze metingen van versnellingen en rotaties mogelijk. Hierbij worden pulsen uit laserlicht gebruikt als referentie om de positie van de atoomwolk zeer nauwkeurig op verschillende tijdstippen te meten.

Onder leiding van de werkgroep Optische Metrologie van de HU werd een compact en stabiel diode-lasersysteem ontwikkeld voor de laserkoeling en atoominterferometrie met ultrakoude rubidiumatomen op een hoogtemeter-raket. Het lasersysteem voor de werking van het hoofdexperiment op MAIUS bestaat uit vier diode-lasermodules, die door het FBH als hybride geïntergreerde lasersystemen zijn gerealiseerd. De hoofdlasser bestaat uit een monolithische Distributed-Feedback (DFB)-laser, waarvan de frequentie is gestabiliseerd op een optische overgang in rubidium. Ze genereren spectraal zuivere en hoogstabiele (~ 1 MHz lijnbreedte) optische straling met een lage vermogensoutput (enkele 10 mW) bij een golflengte van 780 nanometer. Drie op deze hoofdlasser refererende, hybride geïntergreerde hoof-oscillator-vermogen-versterkers zijn verantwoordelijk voor de laserkoeling van de atomen en de interferometrie. Bij hen wordt de straling van een DFB-laser zonder verlies van spectrale stabiliteit versterkt met een trapeziumversterker met een ribbelgolfgeleider-ingang, tot vermogens boven de 1 watt. Om het succesvolle verloop van de missie te waarborgen, zijn daarnaast twee redundantie-modules geïntegreerd. Het laserlicht wordt via vezeloptische componenten verwerkt en naar de experimenteerkamer geleid; voor het snel schakelen van het licht worden acusto-optische modulators in een vrije straal-opstelling gebruikt.

Daarnaast is voor toekomstige missies een lasersystemen-demonstrator geïntegreerd, die twee door het FBH ontwikkelde, microgeïntegreerde Extended Cavity Diode Laser (ECDL)-halfgeleiderlasermodules bevat. Deze modules worden vooral gebruikt voor toekomstige atoominterferometrie-experimenten die strengere eisen stellen aan de spectrale stabiliteit van de laser.