Физики из Университета Колорадо в Боулдере провели исследование, в котором использовали облако атомов, охлаждённых до невероятно низких температур, чтобы одновременно измерить ускорение в трёх измерениях. Ранее многие учёные считали, что это невозможно.
Новое устройство — интерферометр на основе атомов
Устройство представляет собой новый тип атомного «интерферометра». В будущем оно может помочь более точно ориентироваться в подводных лодках, космических кораблях, автомобилях и других транспортных средствах.
«Традиционные атомные интерферометры могут измерять ускорение только в одном измерении, но мы живём в трёхмерном мире, — сказал Кендалл Мелинг, соавтор исследования и аспирант физического факультета Университета Колорадо в Боулдере. — Чтобы знать, куда я направляюсь и где я был, мне нужно отслеживать своё ускорение во всех трёх измерениях».
Исследование опубликовано в журнале Science Advances
Исследователи опубликовали свою статью под названием «Векторная атомная акселерометрия в оптической решётке» в журнале Science Advances. В команду входили Мелинг, Кейти ЛеДесма, постдокторант по физике, и Мюррей Холланд, профессор физики и научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST).
Новое устройство — это чудо инженерной мысли: Холланд и его коллеги используют шесть лазеров толщиной с человеческий волос, чтобы удержать облако из десятков тысяч атомов рубидия на месте. Затем, с помощью искусственного интеллекта, они манипулируют этими лазерами, создавая сложные узоры, что позволяет команде измерять поведение атомов при их реакции на небольшие ускорения, например, при нажатии на педаль газа в автомобиле.
Атомные технологии для навигации
Сегодня большинство транспортных средств отслеживают ускорение с помощью GPS и традиционных электронных устройств, известных как акселерометры. До квантового устройства команде ещё предстоит пройти долгий путь, чтобы конкурировать с этими инструментами. Но исследователи видят большой потенциал в технологиях навигации, основанных на атомах.
«Если вы оставите классический датчик в разных условиях на годы, он устареет и придёт в негодность, — сказал Мелинг. — Пружины в ваших часах изменятся и деформируются. Атомы не стареют».
Принцип работы интерферометра
Интерферометры в той или иной форме существуют уже несколько веков. Их использовали для всего: от передачи информации по оптическим волокнам до поиска гравитационных волн, или ряби в ткани Вселенной.
Общая идея заключается в том, чтобы разделить что-то и затем снова соединить, подобно тому как вы расстегиваете, а затем застёгиваете куртку. В лазерной интерферометрии учёные сначала направляют лазерный луч, затем разделяют его на два идентичных луча, которые проходят по двум разным путям. В конце концов, они снова соединяют лучи. Если лазеры испытали расхождение эффектов на своём пути, например, гравитация действовала по-разному, они могут не идеально совпасть при повторном соединении.
В текущем исследовании команда добилась того же, но с атомами вместо света.
Устройство в настоящее время помещается на стенде размером с аэрохоккейный стол. Сначала исследователи охлаждают коллекцию атомов рубидия до температур, составляющих всего несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В этом холодном состоянии атомы образуют загадочное квантовое состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). Карл Виман, тогда физик из Университета Колорадо в Боулдере, и Эрик Корнелл из JILA получили Нобелевскую премию в 2001 году за создание первого БЭК.
Затем команда использует лазерный свет, чтобы раскачивать атомы, разделяя их. В этом случае это означает, что каждый отдельный атом существует в призрачном квантовом состоянии, называемом суперпозицией, в котором он может одновременно находиться в двух местах в одно и то же время.
Когда атомы разделяются и расходятся, эти призраки движутся по двум разным путям. (В текущем эксперименте исследователи на самом деле не перемещали само устройство, а использовали лазеры для воздействия на атомы, вызывая ускорение).
«Наш конденсат Бозе-Эйнштейна — это пруд с волнами материи, сделанный из атомов, и мы бросаем камни, сделанные из небольших пакетов света, в этот пруд, создавая рябь влево и вправо, — сказал Холланд. — Как только рябь распространится, мы отражаем её и возвращаем обратно, где она интерферирует».
Когда атомы снова соединяются, они образуют уникальный узор, похожий на отпечаток пальца на стекле. «Мы можем расшифровать этот отпечаток пальца и извлечь ускорение, которое испытали атомы», — сказал Холланд.
Группа потратила почти три года на создание устройства, чтобы достичь этого результата. «Для того, что это такое, текущее экспериментальное устройство невероятно компактно. Несмотря на то, что через вакуумную систему, содержащую наше облако атомов, проходят 18 лазерных лучей, весь эксперимент достаточно мал, чтобы однажды мы могли развернуть его в полевых условиях», — сказала ЛеДесма.
Vector atom accelerometry in an optical lattice,\” this month in the journal Science Advances. The team included Mehling; Catie LeDesma, a postdoctoral researcher in physics; and Murray Holland, professor of physics and fellow of JILA, a joint research institute between CU Boulder and the National Institute of Standards and Technology (NIST).”,”The new device is a marvel of engineering: Holland and his colleagues employ six lasers as thin as a human hair to pin a cloud of tens of thousands of rubidium atoms in place. Then, with help from artificial intelligence, they manipulate those lasers in complex patterns—allowing the team to measure the behavior of the atoms as they react to small accelerations, like pressing the gas pedal down in your car.”,”Today, most vehicles track acceleration using GPS and traditional, or \”classical,\” electronic devices known as accelerometers. The team’s quantum device has a long way to go before it can compete with these tools. But the researchers see a lot of promise for navigation technology based on atoms.”,”\”If you leave a classical sensor out in different environments for years, it will age and decay,\” Mehling said. \”The springs in your clock will change and warp. Atoms don’t age.\””,”Interferometers, in some form or another, have been around for centuries—and they’ve been used to do everything from transporting information over optical fibers to searching for gravitational waves, or ripples in the fabric of the universe.”,”The general idea involves splitting things apart and bringing them back together, not unlike unzipping, then zipping back up a jacket.”,”In laser interferometry, for example, scientists first shine a laser light, then split it into two, identical beams that travel over two separate paths. Eventually, they bring the beams back together. If the lasers have experienced diverging effects along their journeys, such as gravity acting in different ways, they may not mesh perfectly when they recombine.”,”Put differently, the zipper might get stuck. Researchers can make measurements based on how the two beams, once identical, now interfere with each other—hence the name.”,”In the current study, the team achieved the same feat, but with atoms instead of light.”,”Here’s how it works: The device currently fits on a bench about the size of an air hockey table. First, the researchers cool a collection of rubidium atoms down to temperatures just a few billionths of a degree above absolute zero.”,”In that frigid realm, the atoms form a mysterious quantum state of matter known as a Bose-Einstein Condensate (BEC). Carl Wieman, then a physicist at CU Boulder, and Eric Cornell of JILA won a Nobel Prize in 2001 for creating the first BEC.”,”Next, the team uses laser light to jiggle the atoms, splitting them apart. In this case, that doesn’t mean that groups of atoms are separating. Instead, each individual atom exists in a ghostly quantum state called a superposition, in which it can be simultaneously in two places at the same time.”,”When the atoms split and separate, those ghosts travel away from each other following two different paths. (In the current experiment, the researchers didn’t actually move the device itself but used lasers to push on the atoms, causing acceleration).”,”\”Our Bose-Einstein Condensate is a matter-wave pond made of atoms, and we throw stones made of little packets of light into the pond, sending ripples both left and right,\” Holland said. \”Once the ripples have spread out, we reflect them and bring them back together where they interfere.\””,”When the atoms snap back together, they form a unique pattern, just like the two beams of laser light zipping together, but more complex. The result resembles a thumb print on a glass.”,”\”We can decode that fingerprint and extract the acceleration that the atoms experienced,\” Holland said.”,”The group spent almost three years building the device to achieve this feat.”,”\”For what it is, the current experimental device is incredibly compact. Even though we have 18 laser beams passing through the vacuum system that contains our atom cloud, the entire experiment is small enough that we could deploy in the field one day,\” LeDesma said.”,”One of the secrets to that success comes down to an artificial intelligence technique called machine learning. Holland explained that splitting and recombining the rubidium atoms requires adjusting the lasers through a complex, multi-step process. To streamline the process, the group trained a computer program that can plan out those moves in advance.”,”So far, the device can only measure accelerations several thousand times smaller than the force of Earth’s gravity. Currently, available technologies can do a lot better.”,”But the group is continuing to improve its engineering and hopes to increase the performance of its quantum device many times over the coming years. Still, the technology is a testament to just how useful atoms can be.”,”\”We’re not exactly sure of all the possible ramifications of this research, because it opens up a door,\” Holland said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Colorado at Boulder\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник