ICE steht für „Weltraumgestützte Interferometrie mit kohärenter Quelle“ und ist ein Experiment des Labors für Photonik, Digitaltechnik und Nanowissenschaften des Institut d’Optique der französischen Region Aquitanien.
Wissenschaftliches Ziel
Ziel des ICE-Experiments ist es, das Äquivalenzprinzip zu testen, das besagt, dass zwei verschiedene Massen in einem Gravitationsfeld mit der gleichen Beschleunigung fallen.
Um dieses Prinzip auf einer mikroskopischen Quantenskala zu verifizieren (oder nicht), ist es das Ziel des Forschungsteams, ein Doppelspezies-Atominterferometer zu konstruieren, um die Beschleunigungsdifferenz zwischen den beiden Atomen unterschiedlicher Masse und Struktur zu messen.
Die Messempfindlichkeit steigt mit der Dauer der Versuchsreihe
Das Äquivalenzprinzip besagt, dass jedes Objekt, unabhängig von seiner Masse, der gleichen Beschleunigung in einem Gravitationsfeld unterliegt.
Längere Abfragezeiten in der Schwerelosigkeit
Auf der Erde fallen Atome unter den Einfluss der Schwerkraft und können zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr zum Signal beitragen, weil sie den Messbereich verlassen. In der Schwerelosigkeit verbleiben die Atome im Zentrum des Versuchsraums und es ist möglich, wesentlich längere Abfragezeiten und damit eine wesentlich bessere Empfindlichkeit zu erreichen.
Atominterferometer-Experimente werden in der Regel in einer ruhigen Umgebung, beispielsweise in einem Labor durchgeführt. Für das gleiche Experiment im Airbus A310 Zero G, bei dem das Vibrationsniveau sehr hoch ist, werden neue Montagetechniken eingesetzt, insbesondere für die Laserquellen, die kompakt, robust und unempfindlich gegenüber thermischen und mechanischen Schwankungen sein müssen. Das Experiment muss logischerweise ein erster Schritt hin zu einem weltraumfähigen System sein.
Beschreibung des Versuchsaufbaus
Das Experiment wurde so konzipiert, dass es hohen Vibrationen und Schwankungen standhält. Ein komplexes Lasersystem wird verwendet, um die beiden Atomspezies (Rubidium und Kalium), die wir für das Experiment benötigen, einzufangen und zu kühlen.
Die Steuerung der Laserfrequenz erfolgt sehr präzise durch Sondierung des atomaren Übergangs des Rubidiums (bzw. Kaliums). Ein dritter Laser mit 770 nm wird eingesetzt, um die Kühleffizienz des Kaliums zu erhöhen.
Mit demselben Lasersystem werden Lichtimpulse erzeugt, die auf die frei fallenden Atome aufgebracht werden, um die Wellenpakete zu trennen und interferieren zu lassen.
Die Ausgangsphase des Interferometers wird durch Fluoreszenzdetektion der Atome in einem gegebenen Energiezustand gemessen. Eine Frequenzkette erzeugt Mikrowellensignale, die es uns erlauben, die internen Zustände der Atome zu kontrollieren. Ein Quarzoszillator dient als Referenz für Frequenzkamm und Mikrowellensignale. Entscheidend ist auch die Synchronisation des Experiments: Das gesamte System wird von einem Computer und Karten gesteuert, die digitale und analoge Signale mit sehr hoher zeitlicher Präzision erzeugen.
Faserlasersystem zum Kühlen und Fangen der Atome. Die Atome befinden sich in einem Versuchsraum, in dem das Vakuum sehr stark ist (10-9 Torr).
Die Atome sind am Schnittpunkt von sechs Laserstrahlen in der Mitte des Gehäuses gefangen und können unter µK abgekühlt werden, was einer Bewegungsgeschwindigkeit von etwa einem Millimeter pro Sekunde entspricht! Diese sehr niedrige Temperatur ergibt eine starke Kohärenz zur Materienwellenquelle des Atominterferometers und trägt somit zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis bei.
Anwendungen des Experiments
Transportable Interferometer mit kalten Atomen können in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden.
Einsatz im Weltraum: Messinstrumente
Im Weltraum können sie wertvolle Messinstrumente für die Tests der allgemeinen Relativitätstheorie sein, wie z. B. die Atomuhr PHARAO auf der ISS. ICE ist ein wichtiger Schritt bei der Vorbereitung des STE-QUEST-Projekts, dessen Ziel es ist, eine Atomuhr und ein Doppelspezies-Atominterferometer auf einen Satelliten zu senden, um insbesondere die Universalität des freien Falles zu testen.
Einsatz auf der Erde: atomare Gravimeter oder Gyroskope
Auf der Erde können atomare Gravimeter oder Gyroskope für die Trägheitsnavigation, die Geophysik oder die Metrologie nützlich sein. So wurde zum Beispiel die Restbeschleunigung des Flugzeugs mit unserem Atominterferometer gemessen.
In Verbindung mit einem herkömmlichen Beschleunigungssensor, der eine grobe Anfangsmessung der Beschleunigung ermöglicht, kann der Feinmesssensor Trägheitseffekte erkennen, die 300-mal kleiner sind als die typischen Beschleunigungsschwankungen des Flugzeugs.