Pela primeira vez, uma nuvem de átomos ultrafrios foi criada com sucesso no espaço a bordo de um foguete de sondagem. A missão MAIUS demonstra que os sensores ópticos quânticos podem ser operados mesmo em ambientes hostis como o espaço - um pré-requisito para encontrar respostas para as questões mais desafiadoras da física fundamental e um importante driver de inovação para aplicações diárias.

De acordo com o Princípio de Equivalência de Albert Einstein, todos os corpos são acelerados na mesma taxa pela gravidade da Terra, independentemente de suas propriedades. Este princípio se aplica a pedras, penas, e átomos semelhantes. Sob condições de microgravidade, medições muito longas e precisas podem ser realizadas para determinar se diferentes tipos de átomos realmente "caem igualmente rápido" no campo gravitacional da Terra - ou se temos que revisar nossa compreensão do universo.

Como parte de um consórcio nacional, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) e Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) agora deu um passo histórico para testar o Princípio de Equivalência no microcosmo de objetos quânticos. Na missão MAIUS lançada em 23 de janeiro, Em 2017, uma nuvem de átomos de rubídio frio de nano Kelvin foi gerada no espaço pela primeira vez. Esta nuvem foi resfriada com luz laser e campos elétricos de radiofrequência para que os átomos finalmente formassem um único objeto quântico, um condensado de Bose-Einstein (BEC).

Mais de 20 anos após os resultados inovadores dos ganhadores do Nobel Cornell, Ketterle, e Wieman em átomos ultra-frios, a avaliação preliminar dos dados da missão do foguete de sondagem indica que tais experimentos também podem ser realizados sob as duras condições de operação espacial - em 1995, eram necessárias configurações do tamanho de uma sala de estar em um ambiente especial de laboratório. O sensor óptico quântico de hoje é tão pequeno quanto um freezer e permanece totalmente operacional mesmo depois de passar por um grande estresse mecânico e térmico causado pelo lançamento do foguete. Esta missão inovadora é um pioneiro para aplicações de sensores quânticos no espaço. No futuro, os cientistas esperam usar a tecnologia de sensor quântico para lidar com um dos maiores desafios da física moderna:a unificação da gravitação com as outras interações fundamentais (forte, fraco, e força eletromagnética) em uma única teoria consistente. Ao mesmo tempo, esses experimentos são motores de inovação para uma ampla gama de aplicações, da navegação inercial (sem referência por GPS) à geodésia espacial usada para determinar a forma da Terra.

Conhecimento abrangente em módulos de laser projetados para aplicações espaciais

Para esta missão, a FBH desenvolveu módulos de laser semicondutores micro-integrados híbridos que são adequados para aplicação no espaço. Esses módulos de laser, junto com unidades ópticas e espectroscópicas fornecidas por terceiros, foram integrados e qualificados pela HU para fornecer o subsistema de laser da carga científica. Os resultados desta missão coordenada por Leibniz Universitaet Hannover não provam apenas que experimentos ópticos quânticos com átomos ultra-frios são possíveis no espaço, mas também dá a FBH e HU a oportunidade de testar sua tecnologia de sistema a laser miniaturizado em condições reais de operação. Os resultados também serão usados ​​para preparar futuras missões que já estão programadas para lançamento. MAIUS, Contudo, não é o primeiro teste de foguete de sondagem para a tecnologia de laser de ambas as instituições no espaço; a tecnologia já foi testada com sucesso em abril de 2015 e janeiro de 2016 a bordo de dois foguetes de sondagem dentro dos experimentos FOKUS e KALEXUS.

MAIUS:interferometria de onda de matéria em condições de microgravidade

A missão MAIUS é apoiada pela Agência Espacial Alemã (DLR) com fundos fornecidos pelo Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia e testa todas as tecnologias-chave de um sensor óptico quântico espacial em um foguete de sondagem:câmara de vácuo, sistema de laser, eletrônicos, e software. MAIUS constitui um marco histórico para futuras missões no espaço que aproveitarão todo o potencial da tecnologia quântica. Pela primeira vez em todo o mundo, um condensado de Bose-Einstein (BEC) baseado em átomos de rubídio foi criado a bordo de um foguete de sondagem e foi usado para investigar interferometria de átomos no espaço. Sensores ópticos quânticos baseados em BECs permitem medições de alta precisão de acelerações e rotações usando pulsos de laser que fornecem uma referência para a determinação precisa das posições da nuvem atômica.

O sistema de laser de diodo compacto e robusto para resfriamento a laser e interferometria de átomos com átomos de rubídio ultrafrios foi desenvolvido sob a liderança do Grupo de Metrologia Óptica em HU. Este sistema é necessário para a operação do experimento MAIUS e consiste em quatro módulos de laser de diodo que foram desenvolvidos pela FBH como módulos de laser de amplificador de potência de oscilador mestre integrado híbrido. O laser mestre é um laser de feedback distribuído monolítico (DFB) que é estabilizado em frequência para a frequência de uma transição óptica em rubídio e gera radiação óptica espectralmente pura e altamente estável (largura de linha de ~ 1 MHz) com baixa potência de saída em comprimento de onda de 780 nm. Os três outros módulos de laser apresentam um chip amplificador cônico com uma seção de entrada de guia de onda em crista. Esses chips amplificadores cônicos aumentam a potência de saída óptica de um laser DFB para além de 1 W sem qualquer perda de estabilidade espectral. Dois módulos de redundância adicionais foram integrados. Moduladores acústico-ópticos de espaço livre e componentes ópticos são utilizados para gerar os pulsos de laser de acordo com a seqüência experimental. Os pulsos de luz laser são finalmente transferidos para a câmara experimental por fibras ópticas.

Além disso, um demonstrador de tecnologia a laser projetado para missões futuras foi integrado, consistindo em dois módulos de Laser de Diodo de Cavidade Estendida (ECDL) semicondutores micro-integrados desenvolvidos pela FBH. Esses módulos são especificamente necessários para futuros experimentos de interferometria de átomos que apresentam requisitos mais rigorosos sobre a estabilidade espectral dos lasers.