SAORA SOTTOSISTEMA ATOMICO PER OROLOGI ATOMICI OTTICI Workshop 4 Bando ASI per PMI - 27 Maggio 2015 Kayser Italia S.r.l. Via di Popogna 501 57128 Livorno (Italy) www.kayser.it kayser@kayser.it
Orologio Atomico Ottico Gli orologi atomici nel dominio delle microonde sono un tool essenziale per satelliti e sistemi di navigazione quali GPS, GLONASS e l Europeo GALILEO. I 24 satelliti GPS sono equipaggiati con orologi atomici nel dominio delle microonde che consentono il posizionamento con accuratezza di pochi metri. Gli Orologi Atomici Ottici OAC (frequenze nel dominio ottico [400-790 nm]) hanno oggi raggiunto accuratezze Dn/n ~ 10-17 significativamente al di sotto dei migliori standard a microonde (Dn/n ~ 10-15 ). OAC naturale evoluzione degli attuali migliori standard a microonde. La possibilità di operare orologi ottici in ambiente spazio (e. g. ISS, satelliti) offre indubbi vantaggi poiché, sulla terra, il potenziale gravitazionale locale influenza la frequenza dell orologio. Nel futuro, quindi, per sfruttare al massimo le potenzialità offerte dagli orologi con transizioni nel dominio ottico, sarà fondamentale il loro utilizzo in ambiente spazio. Un vasto range di applicazioni diventerà accessibile con l uso di OAC nello spazio: test sulla relatività generale (fisica fondamentale), metrologia frequenza/tempo, geofisica (mappatura del potenziale gravitazionale terrestre), interferometria in ambiente spazio. KI-SAORA-HO 001 1/0 2
Principio di funzionamento (I) Optical Frequency Synthesizer (OFS) L oscillatore genera la frequenza ottica necessaria per interrogare il sistema atomico di riferimento (e. g. Atomi Neutri di Stronzio) OFS è il dispositivo che consente di ricevere in «ingresso» segnali nel dominio ottico e di «trasformarli» in segnali nel dominio RF. KI-SAORA-HO 001 1/0 3
Principio di funzionamento (II) Clock wavelength @ 698 nm 497 nm Oven 689 nm 461 nm Zeeman slower Optical Signal RF 813 nm Blue @ 461 nm + Green @ 497 nm mk Red @ 689 nm mk KI-SAORA-HO 001 1/0 4
Background KI Kayser Italia ed il LENS/Dipartimento di Fisica dell Università di Firenze sono attualmente all avanguardia a livello europeo sullo stato di sviluppo di orologi atomici ottici. Progetti rilevanti: SAORA Sottosistema Atomico per orologio atomico ottico, selected in the framework of the ASI 4th SME ITT; 2015-2017 FACT Future Atomic Clock Technology (EU, FP7-PEOPLE-2013-ITN); 2014-2017 SOC2 Space Optical Clock 2 (EU, FP7-SPACE-2010-1); 2011-2015 TOC Transportable Optical Clocks ; (P.O.R. Toscana - Competitività regionale e occupazione); 2010-2013 ORA Studio di fattibilità per orologi atomici ottici (ASI); 2006-2007 OAC Feasibility and applications of optical clocks as frequency and time references in ESA Deep Space Stations (ESA); 2006-2007 KI-SAORA-HO 001 1/0 5
Obiettivi del progetto SAORA Sulla base del background dei partecipanti, è stata maturata una forte competenza sul sottosistema atomico di cui il Forno e la Trappola Magneto Ottica (MOT) sono i componenti essenziali e su cui margini di miglioramento sono possibili per uno sviluppo orientato ad applicazioni spaziali Questi due componenti saranno progettati e realizzati sulla base di criteri indirizzati a future applicazioni in campo spazio. Lo scopo del progetto SAORA è quello di migliorare ulteriormente la trasportabilità, la compattezza (massa e volume), la modularità, l efficienza e l affidabilità di questi due componenti rispetto allo stato dell arte. KI-SAORA-HO 001 1/0 6
Team proponente e responsabilità Sottosistema Atomico per Orologi Atomici Ottici (SAORA) ----- ASI (Customer) Kayser Italia Srl: PMI, Primo Contraente VACUO: PMI, Beneficiario Non-Prime LENS/UNIFI: Beneficiario Non-Prime LENS/UNIFI (Sotto-Contraente) KAYSER ITALIA (Primo Contraente) VACUO (Sotto-Contraente) Attività: Kayser Italia requisiti, progettazione sottosistemi, assemblaggio delle parti e test ambientali. LENS/UNIFI supporto alla progettazione, integrazione in sottosistema di test, test di verifica VACUO progettazione di dettaglio e realizzazione della parti meccaniche KI-SAORA-HO 001 1/0 7
Stato dell arte Vista in sezione del sistema da vuoto di prima generazione compatto e trasportabile per la produzione di atomi di Sr ultrafreddi. Le dimensioni del sistema da vuoto trasportabile sono di circa 110 cm x 35 cm x 40 cm, corrispondente ad un volume totale di circa 150 litri (elettronica esclusa). L apparato sperimentale ad oggi realizzato è costituito da un setup compatto e trasportabile per la produzione di atomi ultrafreddi di Sr. Esso rappresenta un punto di partenza privilegiato per lo sviluppo di tecnologia avanzata e qualificata al funzionamento nello spazio KI-SAORA-HO 001 1/0 8
Attività di progetto (I) Le attività del progetto SAORA saranno indirizzate al Forno Atomico e alla Cella MOT Definizione dei requisiti (budget tecnici e prestazioni) per forno atomico e trappola magneto-ottica (MOT) per uso in ambiente spazio Progettazione del sottosistema e dei relativi componenti oggetto di ottimizzazione (forno atomico e MOT) Realizzazione delle parti meccaniche e relativo assemblaggio test di tipo ambientale (vibrazioni e cicli termici) sui componenti realizzati in configurazione stand-alone; tali test avranno lo scopo di validare la progettazione dei componenti per uso in ambiente spazio. Componenti meccanici del sottosistema atomico (forno e MOT) Vibrazioni Cicli Termici KI-SAORA-HO 001 1/0 9
Attività di progetto (II). Integrazione dei componenti nel set-up sperimentale di test (integrazione con sorgenti laser, ottiche di collimazione e focalizzazione del fascio, pompe da vuoto, elettronica di controllo, etc.) Test di verifica: Intrappolamento in primo stadio di MOT (misura del numero di atomi, temperatura e tempo di caricamento Verifica delle prestazioni di intrappolamento in secondo stadio (MOT rossa). Stima del numero di atomi, efficienza di trasferimento, temperatura Test di spettroscopia ad alta risoluzione su atomi ultrafreddi Identificazione dei componenti critici e definizione delle possibili modifiche migliorative per operabilità in ambiente spazio KI-SAORA-HO 001 1/0 10
Rilevanza del progetto Ad oggi prototipi dimostrativi di orologi atomici ottici esistono soltanto nei laboratori di ricerca, ma nessuna realizzazione di tipo industriale è stata ancora fatta. PROTOTIPO DI LABORATORIO Le attività alla base del progetto SAORA rappresentano una ottima opportunità per l ulteriore sviluppo del portafoglio di tecnologie della Kayser Italia che ha una esperienza specifica ultra-ventennale nel campo delle applicazioni spazio. Allo stesso modo, tali attività consentiranno un incremento della competitività industriale nazionale a livello europeo. KI-SAORA-HO 001 1/0 11
Applicazioni segmento spazio L orologio atomico ottico ha varie prospettive applicative a bordo di ISS e/o satelliti, tra cui: a. Standard per riferimenti di tempo e frequenza b. Geodesia: controllo del movimento della superficie della terra con un nuovo livello di precisione c. Gravitazione: gli orologi ad elevata stabilità possono essere utilizzati come sensori gravitazionali, consentendo la locale mappatura del campo gravitazionale terrestre con una risoluzione senza precedenti d. Fisica fondamentale: la disponibilità di orologi con la stabilità massima e precisione unitamente a link per il trasferimento tempo/frequenza permette di testare numerose leggi di Fisica fondamentale (invarianza temporale delle costanti fondamentali, invarianza della posizione locale (local position invariance), misure di redshift. KI-SAORA-HO 001 1/0 12
Applicazioni segmento di terra L orologio atomico ottico ha varie prospettive applicative nei segmenti di terra, tra cui due possibili scenari sono: a. ESA Deep Space Stations (DSS): miglioramento delle prestazione del tracking di veicoli spaziali Nuove opportunità di radio scienza nel sistema solare (test relativistici) Ricerca onde gravitazionali b. Matera Laser Ranging Observatory (MLRO): miglioramento sensibile della accuratezza del laser ranging satellitare e lunare c. Ground Station GNSS: miglioramento delle prestazioni di localizzazione e/o ottimizzazione della infrastruttura di terra KI-SAORA-HO 001 1/0 13