Sistema di carico del razzo sonda nella sala di integrazione del Centro spaziale Esrange dell'Agenzia spaziale europea in Svezia Credito:André Wenzlawski, JGU
Sono possibili misurazioni estremamente precise utilizzando interferometri atomici che impiegano il carattere ondulatorio degli atomi per questo scopo. Possono quindi essere utilizzati, Per esempio, per misurare il campo gravitazionale della Terra o per rilevare le onde gravitazionali. Un team di scienziati tedeschi è ora riuscito a eseguire con successo l'interferometria atomica nello spazio per la prima volta, a bordo di un razzo sonda. "Abbiamo stabilito le basi tecnologiche per l'interferometria atomica a bordo di un razzo sonda e dimostrato che tali esperimenti non sono possibili solo sulla Terra, ma anche nello spazio, " ha affermato il professor Patrick Windpassinger dell'Istituto di fisica della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), la cui squadra è stata coinvolta nelle indagini. I risultati delle loro analisi sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
Un team di ricercatori di varie università e centri di ricerca guidati dalla Leibniz University di Hannover ha lanciato la missione MAIUS-1 nel gennaio 2017. Da allora è diventata la prima missione missilistica su cui è stato generato un condensato di Bose-Einstein nello spazio. Questo stato speciale della materia si verifica quando gli atomi, in questo caso atomi di rubidio, vengono raffreddati a una temperatura prossima allo zero assoluto, o meno 273 gradi Celsius. "Per noi, questo insieme ultrafreddo ha rappresentato un punto di partenza molto promettente per l'interferometria atomica, " ha spiegato Windpassinger. La temperatura è uno dei fattori determinanti, perché le misurazioni possono essere eseguite con maggiore precisione e per periodi più lunghi a temperature più basse.
Interferometria atomica:generazione di interferenza atomica mediante separazione spaziale e successiva sovrapposizione di atomi
Durante gli esperimenti, il gas degli atomi di rubidio è stato separato mediante irradiazione di luce laser e successivamente sovrapposto. A seconda delle forze che agiscono sugli atomi nei loro diversi percorsi, diversi modelli di interferenza possono essere prodotti, che a sua volta può essere utilizzato per misurare le forze che li influenzano, come la gravità.
Un esempio di un modello di interferenza prodotto dall'interferometro atomico Credito:©:Maike Lachmann, IQO
Gettare le basi per misurazioni di precisione
Lo studio ha prima dimostrato la coerenza, o capacità di interferenza, del condensato di Bose-Einstein come proprietà fondamentalmente richiesta dell'insieme atomico. A tal fine, gli atomi nell'interferometro erano solo parzialmente sovrapposti variando la sequenza della luce, quale, in caso di coerenza, ha portato alla generazione di una modulazione di intensità spaziale. Il gruppo di ricerca ha così dimostrato la fattibilità del concetto, che potrebbe portare a ulteriori esperimenti mirati alla misurazione del campo gravitazionale terrestre, il rilevamento delle onde gravitazionali, e un test del principio di equivalenza di Einstein.
Saranno possibili ancora più misurazioni quando verranno lanciati MAIUS-2 e MAIUS-3
Nel futuro prossimo, il team vuole andare oltre e studiare la fattibilità dell'interferometria atomica ad alta precisione per testare il principio di equivalenza di Einstein. Altri due lanci di razzi, MAIUS-2 e MAIUS-3, sono previsti per il 2022 e il 2023, e in queste missioni il team intende utilizzare anche atomi di potassio, oltre agli atomi di rubidio, per produrre schemi di interferenza. Confrontando l'accelerazione di caduta libera dei due tipi di atomi, può essere facilitata una verifica del principio di equivalenza con una precisione prima irraggiungibile. "Intraprendere questo tipo di esperimento sarebbe un obiettivo futuro sui satelliti o sulla Stazione Spaziale Internazionale ISS, possibilmente all'interno di BECCAL, il laboratorio di condensazione e atomi freddi di Bose Einstein, che è attualmente in fase di progettazione. In questo caso, la precisione ottenibile non sarebbe limitata dal tempo limitato di caduta libera a bordo di un razzo, " ha spiegato il dottor André Wenzlawski, un membro del gruppo di ricerca di Windpassinger presso JGU, che è direttamente coinvolto nelle missioni di lancio.
L'esperimento è un esempio del campo di ricerca altamente attivo delle tecnologie quantistiche, che comprende anche sviluppi nei campi della comunicazione quantistica, sensori quantistici, e informatica quantistica.
La missione del razzo sonda MAIUS-1 è stata implementata come progetto congiunto che coinvolge l'Università Leibniz di Hannover, l'Università di Brema, Università Johannes Gutenberg di Magonza, Università di Amburgo, Humboldt-Universität zu Berlino, il Ferdinand-Braun-Institut di Berlino, e il Centro aerospaziale tedesco (DLR). Il finanziamento del progetto è stato organizzato dall'Amministrazione spaziale del Centro aerospaziale tedesco e i fondi sono stati forniti dal Ministero federale tedesco per gli affari economici e l'energia sulla base di una risoluzione del Bundestag tedesco.
