Pela primeira vez, um relógio óptico viajou para o espaço, sobrevivendo a condições adversas de lançamento de foguetes e operando com sucesso sob a microgravidade que seria experimentada em um satélite. Esta demonstração traz a tecnologia de relógio óptico muito mais perto da implementação no espaço, onde poderia eventualmente permitir navegação baseada em GPS com precisão de localização de nível de centímetro.

No jornal da The Optical Society para pesquisas de alto impacto, Optica , pesquisadores relatam um novo compacto, sistema de laser de pente de frequência robusto e automatizado que foi a chave para a operação do relógio óptico espacial. Os pentes de frequência são as "engrenagens" necessárias para fazer o relógio funcionar nas frequências ópticas.

"Nosso dispositivo representa uma pedra angular no desenvolvimento de futuros relógios de precisão baseados no espaço e metrologia, "disse Matthias Lezius da Menlo Systems GmbH, primeiro autor do artigo. "O relógio óptico teve o mesmo desempenho no espaço e no solo, mostrando que nossa engenharia de sistema funcionou muito bem. "

Usando o tempo para localização

Telefones e outros dispositivos com GPS identificam sua localização na Terra, contatando pelo menos quatro satélites com relógios atômicos. Cada um desses satélites fornece um carimbo de data / hora, e o sistema calcula sua localização com base nas diferenças relativas entre esses momentos. Os relógios atômicos usados ​​nos satélites de hoje são baseados na oscilação natural do átomo de césio - uma frequência na região de micro-ondas do espectro eletromagnético.

Os relógios ópticos usam átomos ou íons que oscilam cerca de 100, 000 vezes mais altas do que as frequências de microondas, na óptica, ou visível, parte do espectro eletromagnético. As frequências mais altas significam que os relógios ópticos "marcam" mais rápido do que os relógios atômicos de micro-ondas e podem, assim, fornecer marcações de tempo de 100 para 1, 000 vezes mais preciso, melhorando muito a precisão do GPS.

Os pentes de frequência são um componente importante dos relógios ópticos porque agem como engrenagens, dividir as oscilações mais rápidas de relógios ópticos em frequências mais baixas para serem contadas e vinculadas a um relógio atômico de referência baseado em micro-ondas. Em outras palavras, os combs de frequência permitem que as oscilações ópticas sejam medidas com precisão e usadas para indicar o tempo.

Até recentemente, os pentes de frequência têm sido muito grandes, configurações complexas encontradas apenas em laboratórios. Lezius e sua equipe na Menlo Systems, uma empresa spin-off do Nobel Laureate T.W. O grupo de Hänsch no Max Plank Institute for Quantum Optics, desenvolveu um pente de frequência óptica totalmente automatizado que mede apenas 22 por 14,2 centímetros e pesa 22 quilos.

O novo pente de frequência é baseado em fibras ópticas, tornando-o robusto o suficiente para viajar através das forças de aceleração extremas e mudanças de temperatura experimentadas ao deixar a Terra. Seu consumo de energia está abaixo de 70 watts, bem dentro dos requisitos para dispositivos baseados em satélite.

Viajando para o espaço

Os pesquisadores combinaram seu novo pente de frequência com um relógio atômico de césio para referência e um relógio óptico de rubídio desenvolvido por grupos de pesquisa no Ferdinand Braun Institute Berlin e Humbold University Berlin, bem como um grupo da Hamburg University que recentemente se mudou para a Mainz University. A Airbus Defense &Space GmbH estava envolvida na construção, interface, e integração do módulo de carga útil que foi para o espaço e também forneceu suporte e equipamentos durante o voo.

Em abril de 2015, todo o sistema voou em um foguete de pesquisa para um vôo parabólico de 6 minutos ao espaço como parte do programa TEXUS que é lançado do Centro Espacial Esrange na Suécia. Uma vez que a microgravidade foi alcançada, o sistema iniciou as medições automaticamente e foi controlado a partir da estação terrestre por meio de um link de rádio de baixa largura de banda.

"O experimento demonstrou a funcionalidade do pente como um divisor de frequência comparativo entre a transição óptica de rubídio em 384 THz e o relógio de césio fornecendo uma referência de 10 MHz, "disse Lezius.

Embora o relógio óptico usado na demonstração tivesse cerca de um décimo da precisão dos relógios atômicos usados ​​em satélites GPS hoje, os pesquisadores já estão trabalhando em uma nova versão que aumentará a precisão em várias ordens de magnitude.

Sensoriamento global do espaço

As medições altamente precisas possibilitadas com pentes de frequência podem ser úteis para muitas aplicações. Por exemplo, Os combs de frequência baseados no espaço poderiam melhorar a precisão do sensoriamento remoto global de gases de efeito estufa de satélites e poderiam ser usados ​​para detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço.

"As aplicações baseadas em pentes de frequência são muito importantes para futuros relógios ópticos baseados no espaço, metrologia de precisão e técnicas de observação da Terra, "disse Lezius." A prontidão da tecnologia espacial dos pentes de frequência está se desenvolvendo em um ritmo acelerado. "

Os pesquisadores planejam voar uma versão melhorada do relógio óptico para o espaço no final de 2017. Nesse experimento, o módulo do pente de frequência não voará sob uma cúpula pressurizada para testar o quão bem ele funciona nas condições de vácuo que seriam experimentadas em um satélite. Os pesquisadores também buscam melhorar ainda mais a resistência do sistema à forte radiação cósmica para garantir que ele possa operar por vários anos em órbita.

Dentro de alguns anos, Lezius e sua equipe pretendem ter um módulo de comb de frequência qualificado para uso espacial que a comunidade espacial possa usar em futuras missões e aplicações. O objetivo deles é um aparelho com um volume de cerca de 3 litros, que pesa alguns quilos e tem um consumo de energia de aproximadamente 10 watts.