Per la prima volta in assoluto, una nuvola di atomi ultrafreddi è stata creata con successo nello spazio a bordo di un razzo sonda. La missione MAIUS dimostra che i sensori ottici quantistici possono essere utilizzati anche in ambienti difficili come lo spazio:un prerequisito per trovare risposte alle domande più impegnative della fisica fondamentale e un importante motore di innovazione per le applicazioni quotidiane.

Secondo il principio di equivalenza di Albert Einstein, tutti i corpi sono accelerati alla stessa velocità dalla gravità terrestre, indipendentemente dalle loro proprietà. Questo principio si applica alle pietre, piume, e atomi allo stesso modo. In condizioni di microgravità, possono essere eseguite misurazioni molto lunghe e precise per determinare se diversi tipi di atomi effettivamente "cadono ugualmente velocemente" nel campo gravitazionale della Terra - o se dobbiamo rivedere la nostra comprensione dell'universo.

Nell'ambito di un consorzio nazionale, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) e Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) hanno compiuto un passo storico verso la verifica del principio di equivalenza nel microcosmo degli oggetti quantistici. Nella missione MAIUS lanciata il 23 gennaio, 2017 una nuvola di atomi di rubidio freddo nano-Kelvin è stata generata nello spazio per la prima volta in assoluto. Questa nube è stata raffreddata con luce laser e campi elettrici a radiofrequenza in modo che gli atomi alla fine formassero un singolo oggetto quantistico, un condensato di Bose-Einstein (BEC).

Più di 20 anni dopo i risultati pionieristici dei premi Nobel Cornell, Ketterle, e Wieman su atomi ultrafreddi, la valutazione preliminare dei dati della missione del razzo sonda indica che tali esperimenti possono essere condotti anche nelle dure condizioni delle operazioni spaziali - nel 1995, erano necessari allestimenti delle dimensioni di un soggiorno in un ambiente di laboratorio speciale. Il sensore ottico quantistico di oggi è piccolo come un congelatore e rimane pienamente operativo anche dopo aver subito un enorme stress meccanico e termico causato dal lancio del razzo. Questa missione rivoluzionaria è un pioniere per le applicazioni dei sensori quantistici nello spazio. Nel futuro, gli scienziati prevedono di utilizzare la tecnologia dei sensori quantistici per far fronte a una delle maggiori sfide della fisica moderna:l'unificazione della gravitazione con le altre interazioni fondamentali (forte, debole, e forza elettromagnetica) in un'unica teoria coerente. Allo stesso tempo, questi esperimenti sono driver di innovazione per una vasta gamma di applicazioni, dalla navigazione inerziale (senza riferimenti GPS) alla geodesia spaziale utilizzata per determinare la forma della Terra.

Know-how completo in moduli laser progettati per applicazioni spaziali

Per questa missione, la FBH ha sviluppato moduli laser ibridi a semiconduttore microintegrati adatti per l'applicazione nello spazio. Questi moduli laser, insieme a unità ottiche e spettroscopiche fornite da partner terzi, sono stati integrati e qualificati da HU per fornire il sottosistema laser del payload scientifico. I risultati di questa missione coordinata dalla Leibniz Universitaet Hannover non solo dimostrano che esperimenti ottici quantistici con atomi ultrafreddi sono possibili nello spazio, ma anche dare a FBH e HU l'opportunità di testare la loro tecnologia del sistema laser miniaturizzato in condizioni operative reali. I risultati saranno utilizzati anche per preparare future missioni il cui lancio è già programmato. MAIO, però, non è il primo test di razzo sonda per la tecnologia laser di entrambe le istituzioni nello spazio; la tecnologia è già stata testata con successo ad aprile 2015 e gennaio 2016 a bordo di due razzi sonda nell'ambito degli esperimenti FOKUS e KALEXUS.

MAIUS:interferometria materia-onda in condizioni di microgravità

La missione MAIUS è supportata dall'Agenzia spaziale tedesca (DLR) con fondi forniti dal Ministero federale dell'economia e dell'energia e testa tutte le tecnologie chiave di un sensore ottico quantistico spaziale su un razzo sonda:camera a vuoto, sistema laser, elettronica, e software. MAIUS costituisce una pietra miliare storica per le future missioni nello spazio che sfrutteranno il pieno potenziale della tecnologia quantistica. Per la prima volta al mondo, un condensato di Bose-Einstein (BEC) a base di atomi di rubidio è stato creato a bordo di un razzo sonda ed è stato utilizzato per studiare l'interferometria atomica nello spazio. I sensori ottici quantistici basati su BEC consentono misurazioni ad alta precisione di accelerazioni e rotazioni utilizzando impulsi laser che forniscono un riferimento per la determinazione precisa delle posizioni della nuvola atomica.

Il sistema laser a diodi compatto e robusto per il raffreddamento laser e l'interferometria atomica con atomi di rubidio ultrafreddi è stato sviluppato sotto la guida del gruppo di metrologia ottica presso HU. Questo sistema è necessario per il funzionamento dell'esperimento MAIUS ed è costituito da quattro moduli laser a diodi che sono stati sviluppati da FBH come moduli laser amplificatore di potenza master-oscillatore integrato ibrido. Il laser master è un laser monolitico a feedback distribuito (DFB) che è stabilizzato in frequenza alla frequenza di una transizione ottica in rubidio e genera radiazioni ottiche spettralmente pure e altamente stabili (~ 1 MHz di larghezza di linea) con una bassa potenza di uscita a una lunghezza d'onda di 780 nm. Gli altri tre moduli laser sono dotati di un chip amplificatore conico con una sezione di ingresso a guida d'onda a cresta. Questi chip amplificatori affusolati aumentano la potenza di uscita ottica di un laser DFB oltre 1 W senza alcuna perdita di stabilità spettrale. Sono stati integrati due moduli ridondanti aggiuntivi. Modulatori acusto-ottici nello spazio libero e componenti ottici vengono utilizzati per generare gli impulsi laser secondo la sequenza sperimentale. Gli impulsi di luce laser vengono infine trasferiti alla camera sperimentale tramite fibre ottiche.

Per di più, è stato integrato un dimostratore di tecnologia laser progettato per future missioni, costituito da due moduli laser a diodi a cavità estesa (ECDL) a semiconduttore micro-integrati sviluppati da FBH. Questi moduli sono specificamente necessari per futuri esperimenti di interferometria atomica che pongono requisiti più rigorosi sulla stabilità spettrale dei laser.