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, представляющее собой новый тип атомного интерферометра, может однажды помочь людям точнее 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 кафедры физики в CU Boulder. — 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 вошли Мелинг, Кати ЛеДезма, постдокторант по физике, и Мюррей Холланд, профессор физики и научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).
Как работает новое устройство
Новое устройство — это чудо инженерной мысли: Холланд и его коллеги используют шесть лазеров толщиной с человеческий волос, чтобы зафиксировать облако из десятков тысяч атомов рубидия. Затем, с помощью искусственного интеллекта, они манипулируют этими лазерами, позволяя команде измерять поведение атомов, когда они реагируют на небольшие ускорения, например, при нажатии на педаль газа в автомобиле.
Сегодня большинство транспортных средств отслеживают ускорение с помощью GPS и традиционных электронных устройств, известных как акселерометры. До того, чтобы квантовое устройство команды могло конкурировать с этими инструментами, ещё далеко. Но исследователи видят большой потенциал в технологии навигации, основанной 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 интерферометров
Интерферометры в той или иной форме существуют уже несколько веков, и 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 вещи и затем снова соединить их, 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 совпадать при повторном соединении.
Иначе говоря, молния может застрять. Исследователи могут производить измерения, основанные на том, как два луча, когда-то идентичных, теперь мешают друг другу — отсюда и название.
В текущем исследовании команда добилась того же результата, но с атомами вместо света.
Как работает квантовый акселерометр
Устройство в настоящее время помещается на стенде размером с стол для игры в воздушный хоккей. Сначала исследователи охлаждают коллекцию атомов рубидия до температур, всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.
В этом холодном царстве атомы образуют таинственное 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.
Далее 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.
«Наш конденсат Бозе-Эйнштейна — это пруд из материи-волны, сделанный из атомов, и мы бросаем камни, сделанные из маленьких пакетов света, в пруд, посылая рябь влево и вправо, — сказал Холланд. — Как только рябь распространится, мы отражаем её и возвращаем обратно, где они интерферируют».
Когда атомы снова соединяются, они образуют уникальный узор, похожий на отпечаток большого пальца на стекле. «Мы можем расшифровать этот отпечаток 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 у нас есть 18 лазерных лучей, проходящих через вакуумную систему, содержащую наше облако атомов, весь эксперимент достаточно мал, чтобы однажды мы могли развернуть его в полевых условиях», — сказала ЛеДезма.
Группа продолжает совершенствовать свои разработки и надеется многократно увеличить производительность своего квантового устройства в ближайшие годы. Тем не менее, технология является свидетельством того, насколько полезными могут быть атомы.
«Мы не совсем уверены во всех возможных последствиях этого исследования, потому что оно открывает дверь», — сказал Холланд.