Po raz pierwszy na świecie przetestowano kwantowy sensor w przestrzeni kosmicznej – z systemem laserowym z Berlina

Moduł laserowy MOPA dla MAIUS: Hybrydowy zintegrowany moduł laserowy typu master-oscillator-power-amplifier (MOPA) opracowany przez Ferdinand-Braun-Institut do precyzyjnej spektroskopii rubidu w przestrzeni kosmicznej – trzy takie moduły MOPA oraz dwa moduły redundacyjne są zintegrowane w systemie laserowym. (©FBH/schurian.com) / Moduł laserowy MOPA dla MAIUS: Hybrydowy zintegrowany moduł laserowy typu master-oscillator-power-amplifier (MOPA) do precyzyjnej spektroskopii rubidu w przestrzeni kosmicznej opracowany przez Ferdinand-Braun-Institut – trzy takie moduły MOPA wraz z dwoma modułami redundacyjnymi są zintegrowane w systemie laserowym. (© FBH/schurian.com)

MAIUS-System laserowe: System laserowy MAIUS, w którym po raz pierwszy w przestrzeni kosmicznej wywołano kondensat Bosego-Einsteina. Ma rozmiar mniej więcej pudełka na buty i waży 27 kg. Zintegrowane moduły laserowe FBH znajdują się na spodzie systemu, na górze przygotowywane jest światło laserowe do dalszego przesłania do głównego eksperymentu. (© Uniwersytet Humboldta w Berlinie) / System laserowy MAIUS: Używany do pomyślnego stworzenia kondensatu Bosego-Einsteina po raz pierwszy w przestrzeni kosmicznej. Ma rozmiar mniej więcej pudełka na buty i waży 27 kg. Moduły laserowe FBH są zintegrowane na dolnej stronie radiatora, na górze znajdują się moduły do dalszego przetwarzania światła, które ma zostać przekazane do głównego eksperymentu. (© Uniwersytet Humboldta w Berlinie)

Na pokładzie rakiety badawczej wysokościowej po raz pierwszy w kosmosie wytworzono chmurę ultrazimnych atomów. Dzięki temu misja MAIUS udowodniła, że czujniki kwantowo-optyczne mogą być stosowane także w trudnych warunkach, takich jak przestrzeń kosmiczna – jest to warunek konieczny do odpowiedzi na fundamentalne pytania nauki oraz do napędzania innowacji w codziennych zastosowaniach.

Zgodnie z zasadą równoważności Einsteina wszystkie ciała, niezależnie od ich innych właściwości, są tak samo silnie przyspieszane przez siłę grawitacji. Zasada ta obowiązuje zarówno dla kamieni, sprężyn, jak i atomów. W warunkach nieważkości można szczególnie długo i precyzyjnie zmierzyć, czy różnie ciężkie atomy rzeczywiście „spadają tak samo szybko w polu grawitacyjnym Ziemi” lub czy musimy poprawić nasz obraz tego, co trzyma świat w całości od środka.

Międzynarodowy konsorcjum, w skład którego wchodzi również Instytut Ferydanda Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) oraz Uniwersytet Humboldtów w Berlinie (HU), dokonało w ramach misji MAIUS historycznego kroku na drodze do testu zasady równoważności w mikrokosmosie obiektów kwantowych. 23 stycznia 2017 roku po raz pierwszy w kosmosie wytworzono chmurę atomów rubidu o temperaturze nano-Kelvina. Została ona schłodzona za pomocą światła laserowego i fal radiowych w taki sposób, że pojedyncze atomy tworzą niemal jeden kwantowy obiekt, kondensat Bose'a-Einsteina. Ponad 20 lat po przełomowych pracach laureatów Nagrody Nobla, Cornella, Ketterle i Wiemana w dziedzinie ultrazimnych atomów, wstępna analiza danych naukowych wskazuje, że takie eksperymenty mogą być przeprowadzane także w trudnych warunkach kosmicznych – w 1995 roku konieczne były urządzenia wielkości salonu w specjalnym laboratorium. Obecny czujnik kwantowo-optyczny jest tak mały jak zamrażarka i pozostaje gotowy do użycia mimo ogromnych obciążeń mechanicznych i termicznych podczas startu rakiety. Dzięki tej misji położono fundament pod przyszłe zastosowania czujników kwantowych w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy liczą na to, że uzyskają wskazówki do pokonania jednej z największych możliwych wyzwań współczesnej fizyki: połączenia grawitacji z pozostałymi trzema podstawowymi siłami (silną, słabą i elektromagnetyczną) w jednolitą teorię. Jednocześnie te eksperymenty są motorem innowacji dla szerokiego spektrum zastosowań, od nawigacji bez GPS po geodezję wspomaganą przez kosmos, czyli pomiary powierzchni Ziemi.

Kompleksowa wiedza na temat modułów laserowych dla wymagań kosmicznych

FBH opracowało na potrzeby tej misji hybrydowe, mikrointegrowane, kosmiczne moduły laserowe oparte na półprzewodnikach. Uniwersytet Humboldtów w Berlinie, we współpracy z innymi partnerami, zintegrował je z innymi modułami optycznymi i spektroskopowymi w funkcjonalny system laserowy i zakwalifikował do użytku. Misja była koordynowana przez krajowe konsorcjum pod przewodnictwem Leibniz-Universität Hannover. Pokazuje to nie tylko, że eksperymenty kwantowo-optyczne z ultrazimnymi atomami mogą być przeprowadzane w przestrzeni kosmicznej, ale także daje FBH i HU możliwość testowania technologii systemów laserowych w warunkach rzeczywistych oraz wykorzystania wyników do przygotowania kolejnych, już planowanych misji. Dla obu instytucji nie jest to pierwszy raz, gdy ich technologia laserowa jest używana w przestrzeni kosmicznej. Już w kwietniu 2015 i styczniu 2016 roku elementy technologiczne obecnej misji były pomyślnie testowane na pokładzie dwóch rakiet wysokościowych w eksperymentach FOKUS i KALEXUS.

MAIUS: Interferometria fal materii w warunkach nieważkości

Misja MAIUS, finansowana przez Niemieckie Centrum Lotów Kosmicznych (DLR) ze środków Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii, testuje wszystkie kluczowe technologie kwantowego czujnika kosmicznego na rakiecie wysokościowej: komorę próżniową, system laserowy, elektronikę i oprogramowanie. Jest to historyczny kamień milowy dla przyszłych misji w przestrzeni kosmicznej, które będą wykorzystywać pełen potencjał technologii kwantowej. Po raz pierwszy na świecie wytworzono na rakiecie wysokościowej kondensat Bose'a-Einsteina z atomów rubidu i przeprowadzono interferometrię. Ten stan materii umożliwia bardzo precyzyjne pomiary przyspieszeń i obrotów. W tym celu używa się impulsów światła laserowego jako odniesienia, aby bardzo dokładnie zmierzyć pozycję chmury atomów w różnych momentach czasu.

Pod kierownictwem grupy Optycznej Metrologii Uniwersytetu Humboldtów opracowano kompaktowy i stabilny układ laserowy diodowy do laserowego chłodzenia i interferometrii atomów ultrazimnych rubidu na rakiecie wysokościowej. Układ laserowy do głównego eksperymentu MAIUS składa się z czterech modułów laserowych opartych na półprzewodnikach, które FBH zrealizowało jako hybrydowe moduły laserowe. Laser główny to monolityczny laser typu Distributed Feedback (DFB), którego częstotliwość jest stabilizowana względem przejścia optycznego w rubidzie. Generuje on spektralnie czyste i wysokostabilne (~1 MHz szerokości linii) promieniowanie optyczne o niskiej mocy (kilkadziesiąt mW) przy długości fali 780 nanometrów. Trzy moduły referencyjne, hybrydowe, zbudowane na bazie tego lasera głównego, pełnią funkcję wzmacniaczy i oscylatorów głównych do chłodzenia atomów i interferometrii. W ich przypadku promień lasera DFB jest bezstratnie wzmacniany za pomocą trapezowego wzmacniacza z wejściem z falowodem zębów, osiągając moc powyżej 1 wata. Aby zapewnić pomyślny przebieg misji, zintegrowano dodatkowo dwa moduły redundancji. Światło laserowe jest przygotowywane za pomocą elementów światłowodowych i kierowane do komory eksperymentalnej, a do szybkiego przełączania światła używa się akusto-optycznych modulatorów w układzie wolnym strumieniu.

Na potrzeby przyszłych misji zintegrowano także demonstrator technologii laserowej, zawierający dwa mikrointegrowane moduły laserowe typu Extended Cavity Diode Laser (ECDL) opracowane przez FBH. Moduły te są szczególnie potrzebne do przyszłych eksperymentów interferometrii atomowej, które stawiają jeszcze bardziej rygorystyczne wymagania wobec stabilności spektralnej lasera.