Pour la première fois, une horloge optique a voyagé dans l'espace, survivre à des conditions difficiles de lancement de fusée et fonctionner avec succès sous la microgravité qui serait vécue sur un satellite. Cette démonstration rapproche la technologie de l'horloge optique de sa mise en œuvre dans l'espace, où il pourrait éventuellement permettre une navigation GPS avec une précision de localisation centimétrique.

Dans le journal de la Optical Society pour la recherche à fort impact, Optique , les chercheurs rendent compte d'un nouveau pacte, système laser à peigne de fréquence robuste et automatisé qui était la clé du fonctionnement de l'horloge optique spatiale. Les peignes de fréquence sont les « engrenages » nécessaires pour faire fonctionner les horloges à des fréquences optiques.

"Notre appareil représente une pierre angulaire dans le développement des futures horloges de précision spatiales et de la métrologie, " a déclaré Matthias Lezius de Menlo Systems GmbH, premier auteur de l'article. "L'horloge optique fonctionnait de la même manière dans l'espace qu'au sol, montrant que notre ingénierie système a très bien fonctionné."

Utilisation de l'heure pour la localisation

Les téléphones et autres appareils compatibles GPS localisent votre position sur Terre en contactant au moins quatre satellites dotés d'horloges atomiques. Chacun de ces satellites fournit un horodatage, et le système calcule votre position en fonction des différences relatives entre ces heures. Les horloges atomiques utilisées sur les satellites d'aujourd'hui sont basées sur l'oscillation naturelle de l'atome de césium, une fréquence dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique.

Les horloges optiques utilisent des atomes ou des ions qui oscillent autour de 100, 000 fois plus élevées que les fréquences micro-ondes, dans l'optique, ou visible, partie du spectre électromagnétique. Les fréquences plus élevées signifient que les horloges optiques « tickent » plus rapidement que les horloges atomiques à micro-ondes et pourraient ainsi fournir des horodatages de 100 à 1, 000 fois plus précis, améliorant considérablement la précision du GPS.

Les peignes de fréquence sont un composant important des horloges optiques car ils agissent comme des engrenages, diviser les oscillations les plus rapides des horloges optiques en fréquences plus basses à compter et à relier à une horloge atomique de référence basée sur les micro-ondes. En d'autres termes, les peignes de fréquence permettent de mesurer avec précision les oscillations optiques et d'utiliser l'heure.

Jusque récemment, les peignes de fréquence ont été très grands, installations complexes que l'on ne trouve que dans les laboratoires. Lezius et son équipe chez Menlo Systems, une entreprise dérivée du lauréat du prix Nobel T.W. le groupe de Hänsch au Max Plank Institute for Quantum Optics, développé un peigne de fréquence optique entièrement automatisé qui ne mesure que 22 sur 14,2 centimètres et pèse 22 kilogrammes.

Le nouveau peigne de fréquence est basé sur des fibres optiques, ce qui le rend suffisamment robuste pour traverser les forces d'accélération extrêmes et les changements de température rencontrés en quittant la Terre. Sa consommation électrique est inférieure à 70 watts, tout à fait conforme aux exigences des appareils satellitaires.

Voyager dans l'espace

Les chercheurs ont combiné leur nouveau peigne de fréquence avec une horloge atomique au césium pour référence et une horloge optique au rubidium développées par des groupes de recherche de l'Institut Ferdinand Braun de Berlin et de l'Université Humbold de Berlin ainsi qu'un groupe de l'Université de Hambourg qui a récemment déménagé à l'Université de Mayence. Airbus Defence &Space GmbH a participé à la construction, interfaçage, et l'intégration du module de charge utile qui est allé dans l'espace et a également fourni un soutien et un équipement pendant le vol.

En avril 2015, l'ensemble du système a été piloté sur une fusée de recherche pour un vol parabolique de 6 minutes dans l'espace dans le cadre du programme TEXUS lancé depuis le centre spatial d'Esrange en Suède. Une fois la microgravité atteinte, le système a démarré les mesures automatiquement et a été contrôlé depuis la station au sol via une liaison radio à faible bande passante.

"L'expérience a démontré la fonctionnalité du peigne en tant que diviseur de fréquence comparatif entre la transition optique au rubidium à 384 THz et l'horloge au césium fournissant une référence de 10 MHz, " dit Lezius.

Bien que l'horloge optique utilisée dans la démonstration ait environ un dixième de la précision des horloges atomiques utilisées sur les satellites GPS aujourd'hui, les chercheurs travaillent déjà sur une nouvelle version qui améliorera la précision de plusieurs ordres de grandeur.

Détection globale depuis l'espace

Les mesures très précises rendues possibles par les peignes de fréquence pourraient être utiles pour de nombreuses applications. Par exemple, les peignes de fréquences spatiaux pourraient améliorer la précision de la télédétection mondiale des gaz à effet de serre à partir de satellites et pourraient être utilisés pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles spatiaux.

"Les applications basées sur les peignes de fréquence sont assez importantes pour les futures horloges optiques spatiales, la métrologie de précision et les techniques d'observation de la terre, " a déclaré Lezius. " La préparation des peignes de fréquence à la technologie spatiale se développe à un rythme rapide. "

Les chercheurs prévoient de faire voler une version améliorée de l'horloge optique dans l'espace à la fin de 2017. Dans cette expérience, le module de peigne de fréquence ne volera pas sous un dôme pressurisé afin de tester son bon fonctionnement dans les conditions de vide qui seraient rencontrées sur un satellite. Les chercheurs cherchent également à améliorer encore la résistance du système aux radiations cosmiques sévères pour s'assurer qu'il peut fonctionner pendant plusieurs années en orbite.

En quelques années, Lezius et son équipe visent à disposer d'un module de peigne de fréquence qualifié pour l'espace que la communauté spatiale pourra utiliser dans de futures missions et applications. Ils visent un appareil d'un volume d'environ 3 litres, pesant quelques kilogrammes et consommant environ 10 watts.