Pierwsze użycie interferometru atomowego do pomiaru przyspieszenia samolotu

Materia ma zadziwiającą zdolność do zachowywania się zarówno jak fale, jak i cząstki, ale wykorzystanie tego efektu zajęło fizykom trochę czasu. Jednak w ostatnich latach różne grupy na całym świecie udoskonaliły sztukę wytwarzania podobnych do laserów wiązek atomów i umożliwiania im interferencji w celu generowania wzorów interferencyjnych.

Tak zwane interferometry atomowe mają ogromny potencjał. Ponieważ długość fali atomów i cząsteczek może być mniejsza niż światła, interferometry mogą być znacznie dokładniejsze.

Co więcej, w przeciwieństwie do światła, na atomy wpływa grawitacja Ziemi, co pozwala na pomiary tej siły z niespotykaną dotąd dokładnością. Odbywa się to albo w specjalnych podziemnych laboratoriach, gdzie urządzenia mogą być izolowane od wpływów zewnętrznych, albo w eksperymentach swobodnego spadania, gdzie urządzenia mogą doświadczać krótkiego okresu 0g.

Ale jest jeszcze jedna rzecz, którą interferometry atomowe powinny być w stanie zrobić: mierzyć przyspieszenie. Teoretycznie urządzenia te mogą pełnić rolę przyspieszeniomierzy, które są co najmniej tak czułe, jak nowoczesne systemy nawigacji inercyjnej. Powinny też być bardziej wytrzymałe, nie tylko dlatego, że działają bez (konwencjonalnych) ruchomych części.

Ale jest problem. Interferometry atomowe są tak czułe, że najmniejsze wibracje przytłaczają wyniki. A to wykluczyło je jako przydatne czujniki bezwładnościowe.

Do teraz. Dzisiaj Remi Geiger z Laboratoire Charles Fabry w Paryżu i grupa ami zbudowali pierwszy interferometr atomowy, który może mierzyć ruchy samolotu. Przetestowali nawet swoje urządzenie w Airbusie A300, mówiąc, że jest w stanie mierzyć przyspieszenia 300 razy mniejsze niż ruchy samolotu.

Sztuczka, którą ci faceci dopracowali do perfekcji, to sposób na usunięcie skutków dużych wibracji, które w przeciwnym razie przytłoczyłyby ich pomiary. Robią to za pomocą mechanicznych akcelerometrów dołączonych do ich zestawu, które rejestrują ruch samolotu na dużą skalę.

Następnie po prostu odbierają te pomiary od przyspieszenia mierzonego przez interferometr atomowy. Ujawnia to bardzo małe odchylenia mierzone przez interferometr atomowy.

Nasz instrument składa się z czujnika hybrydowego, który jest w stanie mierzyć duże przyspieszenia dzięki urządzeniom mechanicznym i jest w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość dzięki akcelerometrowi atomowemu, powiedzmy Geiger i spółka.

Może to mieć znaczący wpływ na systemy nawigacji, ponieważ ten rodzaj dokładności może pomóc w korygowaniu błędów, które wkradają się do konwencjonalnych systemów nawigacji bezwładnościowej.

Ale technika może również pomóc w innych obszarach, takich jak geodezja i grawimetria, które mierzą niewielkie zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi.

Może również ułatwić podstawowe eksperymenty fizyczne w mikrograwitacji. Jednym z ważnych eksperymentów jest nałożenie ograniczeń na zasadę znaną jako uniwersalność swobodnego spadania lub zasada słabej równoważności. To jest idea, że ​​wszystkie ciała spadają w tym samym tempie, niezależnie od ich wewnętrznej struktury.

Fizycy zmierzyli to do jednej części na 10^13, ale niektóre teorie przewidują, że dokładniejsze pomiary powinny ujawnić odchylenie. Innymi słowy, wewnętrzna struktura ciała powinna wpływać na sposób, w jaki opada ono pod wpływem grawitacji, ale tylko w niewielkim stopniu.

Do tej pory wszystkie eksperymenty mające na celu zmierzenie tego w mikrograwitacji wykorzystywały dwa różne interferometry atomowe, aby wyeliminować szum. W efekcie mierzą różnicę w sposobie opadania dwóch różnych atomów. Ale ten rodzaj pomiaru względnego nie jest idealny.

Nowa technika zapewni fizykom sposób bezpośredniego pomiaru przyspieszenia pojedynczego typu atomu, technikę, która może prowadzić do pomiarów jednej części na 10^15 w eksperymentach kosmicznych.

A ponieważ Europejska Agencja Kosmiczna wybrała właśnie taki test do swojej następnej generacji eksperymentów znanych jako Kosmiczna Wizja 2020-22, do tego czasu możemy zobaczyć wersję tego na orbicie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1109.5905 : Wykrywanie efektów bezwładności za pomocą interferometrii materii w powietrzu

ukryć