Système de charge utile de la fusée-sonde dans le hall d'intégration du Centre spatial Esrange de l'Agence spatiale européenne en Suède Crédit :André Wenzlawski, JGU
Des mesures extrêmement précises sont possibles en utilisant des interféromètres atomiques qui utilisent le caractère ondulatoire des atomes à cette fin. Ils peuvent ainsi être utilisés, par exemple, pour mesurer le champ gravitationnel de la Terre ou pour détecter des ondes gravitationnelles. Une équipe de scientifiques allemands a réussi à réaliser pour la première fois l'interférométrie atomique dans l'espace, à bord d'une fusée-sonde. "Nous avons établi la base technologique de l'interférométrie atomique à bord d'une fusée-sonde et démontré que de telles expériences ne sont pas seulement possibles sur Terre, mais aussi dans l'espace, " a déclaré le professeur Patrick Windpassinger de l'Institut de physique de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), dont l'équipe a participé à l'enquête. Les résultats de leurs analyses ont été publiés dans Communication Nature .
Une équipe de chercheurs de diverses universités et centres de recherche dirigée par l'Université Leibniz de Hanovre a lancé la mission MAIUS-1 en janvier 2017. C'est depuis devenue la première mission de fusée sur laquelle un condensat de Bose-Einstein a été généré dans l'espace. Cet état particulier de la matière se produit lorsque des atomes - en l'occurrence des atomes de rubidium - sont refroidis à une température proche du zéro absolu, ou moins 273 degrés Celsius. "Pour nous, cet ensemble ultrafroid représentait un point de départ très prometteur pour l'interférométrie atomique, " explique Windpassinger. La température est l'un des facteurs déterminants, car les mesures peuvent être effectuées avec plus de précision et pendant des périodes plus longues à des températures plus basses.
Interférométrie atomique :génération d'interférences atomiques par séparation spatiale et superposition ultérieure d'atomes
Lors des expérimentations, le gaz d'atomes de rubidium a été séparé par irradiation laser puis superposé. En fonction des forces agissant sur les atomes sur leurs différentes trajectoires, plusieurs motifs d'interférence peuvent être produits, qui à son tour peut être utilisé pour mesurer les forces qui les influencent, comme la gravité.
Un exemple de diagramme d'interférence produit par l'interféromètre atomique Crédit :© :Maike Lachmann, IQO
Jeter les bases de mesures de précision
L'étude a d'abord démontré la cohérence, ou capacité d'interférence, du condensat de Bose-Einstein comme une propriété fondamentalement requise de l'ensemble atomique. À cette fin, les atomes de l'interféromètre n'étaient que partiellement superposés en faisant varier la séquence lumineuse, lequel, en cas de cohérence, conduit à la génération d'une modulation spatiale d'intensité. L'équipe de recherche a ainsi démontré la viabilité du concept, ce qui peut conduire à d'autres expériences visant la mesure du champ gravitationnel de la Terre, la détection des ondes gravitationnelles, et un test du principe d'équivalence d'Einstein.
Encore plus de mesures seront possibles lorsque MAIUS-2 et MAIUS-3 seront lancés
Dans le futur proche, l'équipe souhaite aller plus loin et étudier la faisabilité d'une interférométrie atomique de haute précision pour tester le principe d'équivalence d'Einstein. Deux autres lancements de fusées, MAIUS-2 et MAIUS-3, sont prévues pour 2022 et 2023, et sur ces missions, l'équipe a également l'intention d'utiliser des atomes de potassium, en plus des atomes de rubidium, pour produire des motifs d'interférence. En comparant l'accélération en chute libre des deux types d'atomes, un test du principe d'équivalence avec une précision jusqu'alors inaccessible peut être facilité. « Réaliser ce genre d'expérience serait un objectif futur sur les satellites ou la Station spatiale internationale ISS, éventuellement au sein de BECCAL, le laboratoire Bose Einstein sur les condensats et les atomes froids, qui est actuellement en phase de planification. Dans ce cas, la précision atteignable ne serait pas limitée par le temps de chute libre limité à bord d'une fusée, " a expliqué le Dr André Wenzlawski, membre du groupe de recherche de Windpassinger à JGU, qui est directement impliqué dans les missions de lancement.
L'expérience est un exemple du domaine de recherche très actif des technologies quantiques, qui comprend également les développements dans les domaines de la communication quantique, capteurs quantiques, et l'informatique quantique.
La mission de fusée-sonde MAIUS-1 a été mise en œuvre dans le cadre d'un projet conjoint impliquant l'Université Leibniz de Hanovre, l'Université de Brême, Université Johannes Gutenberg de Mayence, Université de Hambourg, Humboldt-Universität zu Berlin, le Ferdinand-Braun-Institut de Berlin, et le Centre aérospatial allemand (DLR). Le financement du projet a été organisé par l'Administration spatiale du Centre aérospatial allemand et les fonds ont été fournis par le ministère fédéral allemand des Affaires économiques et de l'Énergie sur la base d'une résolution du Bundestag allemand.
