Por primera vez, Se ha creado con éxito una nube de átomos ultrafríos en el espacio a bordo de un cohete sonda. La misión MAIUS demuestra que los sensores ópticos cuánticos se pueden operar incluso en entornos hostiles como el espacio, un requisito previo para encontrar respuestas a las preguntas más desafiantes de la física fundamental y un importante motor de innovación para las aplicaciones cotidianas.

Según el principio de equivalencia de Albert Einstein, todos los cuerpos son acelerados al mismo ritmo por la gravedad de la Tierra, independientemente de sus propiedades. Este principio se aplica a las piedras, plumas, y átomos por igual. En condiciones de microgravedad, Se pueden realizar mediciones muy largas y precisas para determinar si los diferentes tipos de átomos en realidad "caen con la misma rapidez" en el campo gravitacional de la Tierra, o si tenemos que revisar nuestra comprensión del universo.

Como parte de un consorcio nacional, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) y Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) dieron un paso histórico para probar el principio de equivalencia en el microcosmos de objetos cuánticos. En la misión MAIUS lanzada el 23 de enero, En 2017, se generó una nube de átomos de rubidio fríos nano-Kelvin en el espacio por primera vez en la historia. Esta nube se enfrió con luz láser y campos eléctricos de radiofrecuencia para que los átomos finalmente formaran un solo objeto cuántico, un condensado de Bose-Einstein (BEC).

Más de 20 años después de los innovadores resultados de los premios Nobel Cornell, Ketterle, y Wieman en átomos ultrafríos, La evaluación preliminar de los datos de la misión del cohete de sondeo indica que tales experimentos también se pueden llevar a cabo en las duras condiciones de la operación espacial:en 1995, Se requerían configuraciones del tamaño de una sala de estar en un entorno de laboratorio especial. El sensor óptico cuántico de hoy es tan pequeño como un congelador y permanece en pleno funcionamiento incluso después de experimentar un gran estrés mecánico y térmico causado por el lanzamiento del cohete. Esta innovadora misión es pionera en aplicaciones de sensores cuánticos en el espacio. En el futuro, Los científicos esperan utilizar la tecnología de sensores cuánticos para hacer frente a uno de los mayores desafíos de la física moderna:la unificación de la gravitación con las otras interacciones fundamentales (fuerte, débil, y fuerza electromagnética) en una sola teoría consistente. Al mismo tiempo, estos experimentos son motores de innovación para una amplia gama de aplicaciones, desde la navegación inercial (no referenciada por GPS) hasta la geodesia espacial utilizada para determinar la forma de la Tierra.

Conocimientos completos en módulos láser diseñados para aplicaciones espaciales

Para esta misión, La FBH ha desarrollado módulos láser semiconductores microintegrados híbridos que son adecuados para su aplicación en el espacio. Estos módulos láser, junto con unidades ópticas y espectroscópicas proporcionadas por terceros socios, han sido integrados y calificados por HU para proporcionar el subsistema láser de la carga útil científica. Los resultados de esta misión coordinada por Leibniz Universitaet Hannover no solo demuestran que los experimentos de óptica cuántica con átomos ultrafríos son posibles en el espacio, pero también brindan a FBH y HU la oportunidad de probar su tecnología de sistema láser miniaturizado en condiciones reales de funcionamiento. Los resultados también se utilizarán para preparar futuras misiones que ya están programadas para su lanzamiento. MAIUS, sin embargo, no es la primera prueba de cohete con sonda para la tecnología láser de ambas instituciones en el espacio; la tecnología ya se probó con éxito en abril de 2015 y enero de 2016 a bordo de dos cohetes de sondeo dentro de los experimentos FOKUS y KALEXUS.

MAIUS:interferometría de ondas de materia en condiciones de microgravedad

La misión MAIUS cuenta con el apoyo de la Agencia Espacial Alemana (DLR) con fondos proporcionados por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía y prueba todas las tecnologías clave de un sensor óptico cuántico espacial en un cohete de sondeo:cámara de vacío, sistema láser, electrónica, y software. MAIUS constituye un hito histórico para futuras misiones en el espacio que aprovecharán todo el potencial de la tecnología cuántica. Por primera vez en todo el mundo, Se ha creado un condensado de Bose-Einstein (BEC) basado en átomos de rubidio a bordo de un cohete sonda y se ha utilizado para investigar la interferometría de átomos en el espacio. Los sensores ópticos cuánticos basados ​​en BEC permiten mediciones de alta precisión de aceleraciones y rotaciones utilizando pulsos de láser que proporcionan una referencia para la determinación precisa de las posiciones de la nube atómica.

El sistema de láser de diodo compacto y robusto para enfriamiento por láser e interferometría de átomos con átomos de rubidio ultrafríos se ha desarrollado bajo la dirección del Grupo de Metrología Óptica de HU. Este sistema es necesario para el funcionamiento del experimento MAIUS y consta de cuatro módulos láser de diodo que FBH ha desarrollado como módulos láser de amplificador de potencia de oscilador maestro híbrido integrado. El láser maestro es un láser de retroalimentación distribuida monolítica (DFB) que se estabiliza en frecuencia a la frecuencia de una transición óptica en rubidio y genera radiación óptica espectralmente pura y altamente estable (ancho de línea de ~ 1 MHz) con baja potencia de salida a una longitud de onda de 780 nm. Los otros tres módulos láser cuentan con un chip amplificador cónico con una sección de entrada de guía de ondas de cresta. Estos chips amplificadores cónicos aumentan la potencia de salida óptica de un láser DFB a más de 1 W sin pérdida de estabilidad espectral. Se integraron dos módulos de redundancia adicionales. Se utilizan moduladores acústico-ópticos de espacio libre y componentes ópticos para generar los pulsos de láser de acuerdo con la secuencia experimental. Los pulsos de luz láser finalmente se transfieren a la cámara experimental mediante fibras ópticas.

Es más, se ha integrado un demostrador de tecnología láser diseñado para futuras misiones, que consta de dos módulos de láser de diodo de cavidad extendida (ECDL) semiconductores microintegrados desarrollados por FBH. Estos módulos se requieren específicamente para futuros experimentos de interferometría de átomos que plantean requisitos más estrictos sobre la estabilidad espectral de los láseres.