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Abbildung: colourbox.de

Albert Einsteins Relativit?tstheorie zufolge werden im Vakuum alle K?rper, unabh?ngig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich schnell durch die Erdanziehungskraft beschleunigt. Dieses ?quivalenzprinzip gilt für Steine, Federn und Atome gleicherma?en. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit kann besonders lange und damit pr?zise gemessen werden, ob verschieden schwere Atome tats?chlich ?gleich schnell fallen“.

Für die ersten Pr?zisionsmessungen im Weltraum mit kalten Atomen sind Kalium und Rubidium als Atomspezies geeignete Kandidaten. In Vorbereitung auf diese Messungen wurden am 23. Januar in Kiruna, Schweden, gleich zwei Experimente erfolgreich auf einer H?henforschungsrakete durchgeführt. Dies hat nun eine erste Auswertung gezeigt. Die Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) und das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für H?chstfrequenztechnik (FBH) testen in den Projekten KALEXUS und FOKUS modernste Lasertechnologien. Die anspruchsvollen Technologiedemonstratoren legen die Grundlagen für pr?zise Tests des ?quivalenzprinzips mit sogenannten Kalium- und Rubidium-Atominterferometern und weiteren Experimenten zur Einstein’schen Relativit?tstheorie. Forscher erhoffen sich von entsprechenden Experimenten Hinweise zur Bew?ltigung einer der wom?glich gr??ten Herausforderungen der modernen Physik: Die Vereinigung der Gravitation mit den anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen in einer einheitlichen Theorie.

Forscher k?nnen w?hrend des Fluges nicht korrigierend eingreifen

In dem Projekt KALEXUS wurde unter der Leitung der Arbeitsgruppe Optische Metrologie an der HU ein stabiles Lasersystem für die Manipulation von Kaliumatomen aufgebaut. Herzstück sind zwei vom FBH entwickelte, mikrointegrierte Halbleiterlasermodule. In KALEXUS wird die Wellenl?nge dieser Lasermodule auf einen atomaren ?bergang von Kalium eingestellt. W?hrend der sechsminütigen Schwerelosigkeit stabilisiert das Experiment die Wellenl?nge beider Laser selbstst?ndig. Au?erdem kann das Lasersystem w?hrend des Fluges eigenst?ndig zwischen den Laserquellen hin und her schalten. Schlie?lich lassen sich derartige Experimente nicht einfach wiederholen, und die Wissenschaftler k?nnen w?hrend des Flugs nicht korrigierend eingreifen. Zudem dürfen die Messungen nicht gef?hrdet sein, falls einer der Laser ausfallen sollte.

Zus?tzlich wurde im Projekt FOKUS, geleitet von Menlo Systems, ein weiteres Lasermodul des FBH an der HU zum System aufgebaut. Der auf einen atomaren ?bergang von Rubidium stabilisierte Laser soll die Technologiereife entsprechender Aufbauten für sp?tere Falltests von Atomen in Schwerelosigkeit demonstrieren. Das Lasersystem erm?glicht zudem einen Uhrenvergleich. Dabei wird die Frequenz dieses ?optischen Oszillators“ mit der eines Quarzoszillators, der wie eine moderne Armbanduhr im Radiofrequenzbereich ?tickt“, verglichen. Die Allgemeine Relativit?tstheorie sagt n?mlich auch voraus, dass der Gang aller Uhren in gleicher Weise von der Gravitation beeinflusst wird, unabh?ngig davon, wie diese Uhren physikalisch oder technisch realisiert sind. Ein erster Test im April 2015 best?tigte die Tauglichkeit derartiger ?Atomuhren“ und der dafür ben?tigten Lasersysteme zur ?berprüfung der Allgemeinen Relativit?tstheorie im Weltraum. Ziel ist es nun, diese ersten Ergebnisse nach einigen technischen Optimierungen des Systems zu best?tigen.

Zwei Technologieans?tze im direkten Vergleich

Die beiden Experimente verwenden verschiedene Lasertypen aus dem FBH, was einen Vergleich ihrer Lasertechnologien für das Einsatzszenario erlaubt. Kernstück des FOKUS-Moduls ist ein DFB (Distributed Feedback) Laser, der Licht in einem engen Frequenz- beziehungsweise Wellenl?ngenbereich bei 780 nm abgibt. Diese spektrale Schmalbandigkeit ist eine der zentralen Anforderungen an das Lasermodul, welches für die Spektroskopie der Rubidiumatome und damit für Pr?zisionsmessungen ben?tigt wird.

Fasergekoppeltes Rubidium-Modul für FOKUS-Experiment im Weltraum.
Abbildung: FBH/P. Immerz

KALEXUS nutzt einen ECDL-Aufbau (Extended Cavity Diode Laser), der dank eines externen Gitters eine noch schmalere Linienbreite liefert. Der Laser ist für spektroskopische Messungen mit Kaliumatomen optimiert und emittiert bei einer Wellenl?nge von 767 nm. Das externe Gitter macht ihn jedoch – im Gegensatz zum monolithischen Aufbau des FOKUS-Lasers – potenziell st?rungsanf?lliger. Schlie?lich müssen die handtellergro?en Module die mechanischen Belastungen beim Raketenstart mit Beschleunigungen bis zum 15-fachen der Erdbeschleunigung überstehen und anschlie?end im Weltraum reibungslos funktionieren.
Die Projekte KALEXUS und FOKUS werden vom Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) finanziert.

?ber das Joint Lab Laser Metrology

Im Rahmen dieses Joint Labs werden sehr schmalbandige Diodenlaser, unter anderem für die optische Pr?zisionsspektroskopie im Weltraum entwickelt. Hierbei arbeiten die Arbeitsgruppe Optische Metrologie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult?t der HU und das Ferdinand-Braun-Institut eng zusammen. Dadurch k?nnen die gemeinsamen Interessen und komplement?ren Expertisen der HU und des FBHs optimal gebündelt werden.

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Prof. Dr. Achim Peters
Humboldt-Universit?t zu Berlin
AG Optische Metrologie

Tel. 030.2093-4905
achim.peters@physik.hu-berlin.de

Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universit?t zu Berlin

Tel. 030 2093-4906
markus.krutzik@physik.hu-berlin.de

Petra Immerz
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für H?chstfrequenztechnik

Tel. 030.6392-2626
petra.immerz@fbh-berlin.de