Согласно принципу эквивалентности Альберта Эйнштейна, все тела ускоряются с одинаковой скоростью под действием силы тяжести Земли, независимо от их свойств. Этот принцип применим и к камням, и к перьям, и к атомам. В условиях микрогравитации можно проводить очень длительные и точные измерения, чтобы определить, действительно ли различные типы атомов «падают с одинаковой скоростью» в гравитационном поле Земли — или нам нужно пересмотреть наше понимание Вселенной. В рамках национального консорциума Институт Фердинанда Брауна, Институт Лейбница Fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) и Университет Гумбольдта в Берлине (HU) сделали исторический шаг к проверке принципа эквивалентности в микромире квантовых объектов.
В ходе миссии MAIUS, запущенной 23 января 2017 года, впервые в космосе было создано облако холодных нанокельвиновских атомов рубидия. Это облако охлаждали лазерным светом и радиочастотными электрическими полями, так что атомы, наконец, сформировали единый квантовый объект, конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC).Спустя более чем 20 лет после новаторских результатов лауреатов Нобелевской премии Корнелла, Кеттерле и Вимана по сверххолодным атомам предварительная оценка данных зондирующей ракетной миссии показывает, что такие эксперименты также могут проводиться в суровых условиях космической операции.
Еще в 1995 году требовались помещения размером с гостиную в специальной лабораторной среде. Сегодняшний квантовый оптический датчик размером с морозильную камеру остается полностью работоспособным даже после огромных механических и тепловых нагрузок, вызванных запуском ракеты. Эта новаторская миссия является первопроходцем в области применения квантовых датчиков в космосе.
В будущем ученые рассчитывают использовать технологию квантовых датчиков, чтобы справиться с одной из самых больших проблем современной физики: объединить гравитацию с другими фундаментальными взаимодействиями (сильным, слабым и электромагнитным взаимодействием) в единую непротиворечивую теорию. В то же время эти эксперименты являются движущей силой инноваций для широкого круга приложений, от инерциальной (без привязки к GPS) навигации до космической геодезии, используемой для определения формы Земли.Обширное ноу-хау в лазерных модулях, разработанных для космических приложенийДля этой миссии FBH разработала гибридные микроинтегрированные полупроводниковые лазерные модули, которые подходят для применения в космосе.
Эти лазерные модули вместе с оптическими и спектроскопическими модулями, предоставленными третьими партнерами, были интегрированы и сертифицированы HU для обеспечения лазерной подсистемы научной полезной нагрузки. Результаты этой миссии, координируемой Leibniz Universitaet Hannover, не только доказывают, что квантово-оптические эксперименты с ультрахолодными атомами возможны в космосе, но также дают FBH и HU возможность протестировать технологию миниатюрных лазерных систем в реальных условиях эксплуатации. Результаты также будут использованы для подготовки будущих миссий, запуск которых уже запланирован.
MAIUS, однако, — не первое испытание ракеты-носителя для лазерных технологий обоих институтов в космосе; технология уже была успешно испытана в апреле 2015 г. и январе 2016 г. на двух зондирующих ракетах в рамках экспериментов FOKUS и KALEXUS. МАЙУС: интерферометрия материальных волн в условиях микрогравитацииМиссия MAIUS поддерживается Немецким космическим агентством (DLR) на средства, предоставленные Федеральным министерством экономики и энергетики, и тестирует все ключевые технологии космического квантово-оптического датчика на зондирующей ракете: вакуумная камера, лазерная система, электроника. , и программное обеспечение.
MAIUS представляет собой историческую веху для будущих космических миссий, в которых будет задействован весь потенциал квантовой технологии. Впервые в мире конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) на основе атомов рубидия был создан на борту зондирующей ракеты и был использован для исследования атомной интерферометрии в космосе. Квантово-оптические датчики на основе БЭК позволяют с высокой точностью измерять ускорение и вращение с помощью лазерных импульсов, которые служат эталоном для точного определения положения атомного облака.
Компактная и прочная диодная лазерная система для лазерного охлаждения и атомной интерферометрии с ультрахолодными атомами рубидия была разработана под руководством группы оптической метрологии HU. Эта система необходима для работы эксперимента MAIUS и состоит из четырех диодных лазерных модулей, которые были разработаны FBH как гибридно-интегрированные лазерные модули с усилителем мощности с задающим генератором. Мастер-лазер представляет собой лазер с монолитной распределенной обратной связью (DFB), который стабилизирован по частоте до частоты оптического перехода в рубидии и генерирует спектрально чистое и высокостабильное (ширина линии ~ 1 МГц) оптическое излучение с низкой выходной мощностью на длине волны 780 нм.
Три других лазерных модуля имеют конический усилитель с входной секцией гребенчатого волновода. Эти конические усилители усиливают выходную оптическую мощность DFB-лазера до уровня более 1 Вт без потери спектральной стабильности. Были интегрированы два дополнительных модуля резервирования. Акустооптические модуляторы в свободном пространстве и оптические компоненты используются для генерации лазерных импульсов в соответствии с экспериментальной последовательностью.
Наконец, импульсы лазерного света передаются в экспериментальную камеру по оптическим волокнам. Кроме того, был интегрирован демонстратор лазерных технологий, предназначенный для будущих миссий, состоящий из двух микроинтегрированных полупроводниковых модулей диодного лазера с расширенной полостью (ECDL), разработанных FBH.
Эти модули особенно необходимы для будущих экспериментов по атомной интерферометрии, которые предъявляют более строгие требования к спектральной стабильности лазеров.