Voor de eerste keer ooit, een wolk van ultrakoude atomen is met succes gecreëerd in de ruimte aan boord van een sondeerraket. De MAIUS-missie toont aan dat kwantumoptische sensoren zelfs in ruwe omgevingen zoals de ruimte kunnen worden gebruikt - een voorwaarde voor het vinden van antwoorden op de meest uitdagende vragen van de fundamentele fysica en een belangrijke innovatiemotor voor alledaagse toepassingen.

Volgens het equivalentieprincipe van Albert Einstein, alle lichamen worden met dezelfde snelheid versneld door de zwaartekracht van de aarde, ongeacht hun eigenschappen. Dit principe is van toepassing op stenen, veren, en atomen gelijk. Onder omstandigheden van microzwaartekracht, er kunnen zeer lange en nauwkeurige metingen worden uitgevoerd om te bepalen of verschillende soorten atomen daadwerkelijk "even snel vallen" in het zwaartekrachtsveld van de aarde - of dat we ons begrip van het universum moeten herzien.

Als onderdeel van een nationaal consortium, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut fuer Hoechstfrequenztechnik (FBH) en Humboldt-Universitaet zu Berlin (HU) hebben nu een historische stap gezet naar het testen van het equivalentieprincipe in de microkosmos van kwantumobjecten. In de MAIUS-missie die op 23 januari werd gelanceerd, In 2017 is voor het eerst een wolk van koude rubidium-atomen van nano-Kelvin gegenereerd in de ruimte. Deze wolk werd afgekoeld met laserlicht en radiofrequente elektrische velden, zodat de atomen uiteindelijk een enkel kwantumobject vormden, een Bose-Einstein-condensaat (BEC).

Meer dan 20 jaar na de baanbrekende resultaten van de Nobelprijswinnaars Cornell, Ketterle, en Wieman over ultrakoude atomen, voorlopige evaluatie van de missiegegevens van de sondeerraket geeft aan dat dergelijke experimenten ook kunnen worden uitgevoerd onder de barre omstandigheden van ruimteoperaties - in 1995, Opstellingen ter grootte van een woonkamer in een speciale laboratoriumomgeving waren nodig. De huidige kwantum optische sensor is zo klein als een vriezer en blijft volledig operationeel, zelfs na het ervaren van enorme mechanische en thermische stress veroorzaakt door de raketlancering. Deze baanbrekende missie is een pionier voor toepassingen van kwantumsensoren in de ruimte. In de toekomst, wetenschappers verwachten kwantumsensortechnologie te gebruiken om het hoofd te bieden aan een van de grootste uitdagingen van de moderne natuurkunde:de eenwording van zwaartekracht met de andere fundamentele interacties (sterk, zwak, en elektromagnetische kracht) in een enkele consistente theorie. Tegelijkertijd, deze experimenten zijn aanjagers van innovatie voor een breed scala aan toepassingen, van traagheidsnavigatie (niet-gps-gerelateerd) tot geodesie in de ruimte die wordt gebruikt om de vorm van de aarde te bepalen.

Uitgebreide knowhow in lasermodules die zijn ontworpen voor ruimtetoepassingen

Voor deze missie de FBH heeft hybride micro-geïntegreerde halfgeleiderlasermodules ontwikkeld die geschikt zijn voor toepassing in de ruimte. Deze lasermodules, samen met optische en spectroscopische eenheden geleverd door derde partners, zijn door de HU geïntegreerd en gekwalificeerd om het lasersubsysteem van de wetenschappelijke nuttige lading te leveren. De resultaten van deze missie, gecoördineerd door Leibniz Universitaet Hannover, bewijzen niet alleen dat kwantumoptische experimenten met ultrakoude atomen mogelijk zijn in de ruimte, maar geven FBH en HU ook de kans om hun geminiaturiseerde lasersysteemtechnologie onder reële bedrijfsomstandigheden te testen. De resultaten zullen ook worden gebruikt om toekomstige missies voor te bereiden die al gepland zijn voor lancering. MAIUS, echter, is niet de eerste klinkende rakettest voor de lasertechnologie van beide instellingen in de ruimte; de technologie is al met succes getest in april 2015 en januari 2016 aan boord van twee sonderingsraketten binnen de FOKUS- en KALEXUS-experimenten.

MAIUS:materie-golf interferometrie onder omstandigheden van microzwaartekracht

De MAIUS-missie wordt ondersteund door het Duitse ruimteagentschap (DLR) met fondsen van het federale ministerie van Economische Zaken en Energie en test alle belangrijke technologieën van een in de ruimte geplaatste kwantumoptische sensor op een sondeerraket:vacuümkamer, lasersysteem, elektronica, en software. MAIUS vormt een historische mijlpaal voor toekomstige missies in de ruimte die het volledige potentieel van kwantumtechnologie zullen benutten. Voor het eerst wereldwijd, een Bose-Einstein-condensaat (BEC) op basis van rubidium-atomen is gemaakt aan boord van een sondeerraket en is gebruikt om atoominterferometrie in de ruimte te onderzoeken. Quantum optische sensoren op basis van BEC's maken zeer nauwkeurige metingen van versnellingen en rotaties mogelijk met behulp van laserpulsen die een referentie vormen voor een nauwkeurige bepaling van de posities van de atomaire wolk.

Het compacte en robuuste diodelasersysteem voor laserkoeling en atoominterferometrie met ultrakoude rubidiumatomen is ontwikkeld onder leiding van de Optical Metrology Group van HU. Dit systeem is nodig voor de werking van het MAIUS-experiment en bestaat uit vier diodelasermodules die door FBH zijn ontwikkeld als hybride geïntegreerde master-oscillator-eindversterker-lasermodules. De masterlaser is een monolithische laser met gedistribueerde feedback (DFB) die frequentiegestabiliseerd is tot de frequentie van een optische overgang in rubidium en spectraal zuivere en zeer stabiele (~ 1 MHz lijnbreedte) optische straling genereert met een laag uitgangsvermogen bij een golflengte van 780 nm. De drie andere lasermodules zijn voorzien van een taps toelopende versterkerchip met een ingangsgedeelte voor golfgeleiders. Deze taps toelopende versterkerchips verhogen het optische uitgangsvermogen van een DFB-laser tot meer dan 1 W zonder enig verlies van spectrale stabiliteit. Er werden twee extra redundantiemodules geïntegreerd. Akoestisch-optische modulatoren en optische componenten in de vrije ruimte worden gebruikt om de laserpulsen te genereren volgens de experimentele volgorde. De laserlichtpulsen worden uiteindelijk door optische vezels naar de experimentele kamer overgebracht.

Verder, een lasertechnologiedemonstrator die is ontworpen voor toekomstige missies, is geïntegreerd, bestaande uit twee micro-geïntegreerde halfgeleider Extended Cavity Diode Laser (ECDL) modules ontwikkeld door FBH. Deze modules zijn specifiek nodig voor toekomstige atoominterferometrie-experimenten die strengere eisen stellen aan de spectrale stabiliteit van de lasers.