Einstein op de testbank – twee precisie-experimenten met lasers uit Berlijn in de ruimte

Rubidium-module voor FOKUS-experiment: Fasergekoppeld rubidium-module voor FOKUS-experiment in de ruimte. ©FBH/P. Immerz

Volgens de relativiteitstheorie van Albert Einstein worden in het vacuüm alle lichamen, ongeacht hun andere eigenschappen, even snel door de zwaartekracht van de aarde versneld. Dit gelijkwaardigheidsprincipe geldt voor stenen, veren en atomen in gelijke mate. Onder de omstandigheden van gewichtloosheid kan bijzonder lang en daarmee nauwkeurig gemeten worden of verschillende zware atomen daadwerkelijk „even snel vallen”.

Voor de eerste precisemetingen in de ruimte met koude atomen zijn kalium en rubidium geschikte kandidaten als atoomsoorten. Ter voorbereiding op deze metingen zijn op 23 januari in Kiruna, Zweden, twee experimenten succesvol uitgevoerd op een hoogtetoestel. Dit heeft nu een eerste evaluatie opgeleverd. De Humboldt-Universiteit te Berlijn (HU) en het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), testen in de projecten KALEXUS en FOKUS de modernste laser technologieën. De veeleisende technologische demonstratoren vormen de basis voor nauwkeurige testen van het gelijkwaardigheidsprincipe met zogenaamde kalium- en rubidium-atoominterferometers en verdere experimenten ter bevestiging van Einstein's relativiteitstheorie. Onderzoekers hopen van dergelijke experimenten aanwijzingen te verkrijgen voor het aanpakken van een van de mogelijk grootste uitdagingen in de moderne fysica: de verenigbaarheid van de zwaartekracht met de andere drie fundamentele wisselwerkingen in een uniforme theorie.

Laserexperimenten met kalium- en rubidiumatomen: KALEXUS en FOKUS

In het project KALEXUS heeft de werkgroep Optische Metrologie van de HU een stabiel lasersysteem opgebouwd voor de manipulatie van kaliumatomen. Kern van dit systeem zijn twee door het FBH ontwikkelde, gemicroniseerde halfgeleiderlasermodules. In KALEXUS wordt de golflengte van deze lasers op een atomaire overgang van kalium afgestemd. Tijdens de zes minuten durende gewichtloosheid stabiliseert het experiment de golflengte van beide lasers zelfstandig. Daarnaast kan het lasersysteem tijdens de vlucht zelfstandig schakelen tussen de laserbronnen. Tenslotte kunnen dergelijke experimenten niet eenvoudig worden herhaald, en kunnen de wetenschappers tijdens de vlucht niet ingrijpen. Bovendien mogen de metingen niet in gevaar worden gebracht als een van de lasers uitvalt.

Daarnaast is in het project FOKUS, geleid door Menlo Systems, een ander lasersysteem van het FBH aan de HU opgebouwd. De op een atomaire overgang van rubidium gestabiliseerde laser moet de technologische rijpheid van dergelijke opstellingen demonstreren voor latere valtests van atomen in gewichtloosheid. Het lasersysteem maakt ook een klokvergelijking mogelijk. Daarbij wordt de frequentie van deze „optische oscillator” vergeleken met die van een kwartskristaloscillator, dat net als een moderne polshorloge in het radiofrequentiebereik „tikt”. De algemene relativiteitstheorie voorspelt namelijk ook dat de werking van alle klokken op dezelfde wijze door de zwaartekracht wordt beïnvloed, ongeacht hoe deze klokken fysisch of technisch zijn gerealiseerd. Een eerste test in april 2015 bevestigde de geschiktheid van dergelijke „atoomklokken” en de daarvoor benodigde lasersystemen voor het testen van de algemene relativiteitstheorie in de ruimte. Het doel is nu om deze eerste resultaten te bevestigen na enkele technische optimalisaties van het systeem.

Twee technologische benaderingen in directe vergelijking

De twee experimenten gebruiken verschillende lasersystemen van het FBH, wat een vergelijking van hun laser technologieën voor het inzetscenario mogelijk maakt. Kern van het FOKUS-module is een DFB (Distributed Feedback) laser, die licht uitzendt binnen een smal frequentie- of golflengtegebied bij 780 nm. Deze spectrale smalbandigheid is een van de centrale eisen aan het lasersysteem, dat nodig is voor de spectroscopie van de rubidiumatomen en daarmee voor precisemeting.

KALEXUS gebruikt een ECDL-opbouw (Extended Cavity Diode Laser), die dankzij een extern rooster een nog smallere lijnbreedte levert. De laser is geoptimaliseerd voor spectroscopische metingen met kaliumatomen en zendt uit bij een golflengte van 767 nm. Het externe rooster maakt hem echter – in tegenstelling tot de monolithische opbouw van de FOKUS-laser – mogelijk gevoeliger voor storingen. Uiteindelijk moeten de handtellergrote modules de mechanische belastingen tijdens de raketstart met versnellingen tot 15 keer de zwaartekracht doorstaan en daarna in de ruimte probleemloos functioneren.

De projecten KALEXUS en FOKUS worden gefinancierd door het Duitse Centrum voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR).

Over het Joint Lab Laser Metrology

In het kader van dit Joint Lab worden zeer smalbandige diode-lasers ontwikkeld, onder andere voor de optische precisiespectroscopie in de ruimte. Hierbij werken het Ferdinand-Braun-Institut en de werkgroep Optische Metrologie van de Wiskundig-Natuurwetenschappelijke Faculteit van de Humboldt-Universiteit te Berlijn nauw samen. Hierdoor kunnen de gezamenlijke belangen en complementaire expertise van HU Berlijn (optische precisie-metingen voor fundamentele natuurkundige vraagstukken) en FBH (ontwikkeling van halfgeleiderlasers) optimaal worden gebundeld.