Átomos caindo medir a rotação da Terra

Em uma rodada

Um novo tipo de giroscópio baseado em átomos interferindo foi desenvolvido que pode determinar a latitude onde o instrumento está localizada - e também medir o norte verdadeiro e taxa da Terra de rotação. O dispositivo foi desenvolvido por físicos, em os EUA, que esperam para escala-lo para que ele possa testar a teoria geral da relatividade de Einstein. Eles também querem miniaturizar a tecnologia para que ele possa ser usado em sistemas de navegação portáteis.

O giroscópio foi construído por uma equipe liderada por Mark Kasevich na Universidade de Stanford, na Califórnia. Ele funciona através da queima de uma nuvem de átomos para cima em um leve ângulo com a vertical de modo que os átomos de seguir uma trajetória parabólica como a gravidade puxa para baixo. Uma série de pulsos de laser é, então, disparou contra a nuvem durante o vôo, que separa os átomos em um número de cachos diferentes que se seguem trajetórias diferentes. Os pulsos são cuidadosamente selecionados de modo que duas dessas trajetórias se cruzam em um detector.

Dado que os átomos são regidas pela mecânica quântica, eles se comportam como ondas com uma mudança relativa na fase entre os átomos de tomar caminhos diferentes. A interferência resultante na detector é ditada, em parte, as orientações relativas dos pulsos de laser, a gravidade e à rotação da Terra.

Onde no mundo?

O dispositivo é configurado para que os pulsos de laser são disparados horizontalmente - que é perpendicular à gravidade - e foi testado, rodando a orientação dos pulsos de laser sobre o eixo gravitacional. O padrão de interferência resultante é uma senóide quase perfeita com uma amplitude que depende da taxa de rotação da Terra ea latitude do local onde a medição é feita. Porque sabemos o quão rápido a Terra está girando, a latitude pode, portanto, ser facilmente determinada. A direção do verdadeiro norte e sul são dadas pela direção dos pulsos de laser quando a amplitude da senóide é zero.

Como o giroscópio também é sensível ao seu próprio movimento em relação ao seu entorno, Kasevich e colegas mostraram que ele poderia ser usado para "navegação inercial", em que a localização de um veículo (ou pessoa) é calculado por saber seu ponto de partida e todos os os movimentos que ele fez. A equipe demonstrou isso através da rotação do giroscópio sobre o eixo perpendicular à gravidade e os pulsos de laser, o que levou a uma mudança constante a interferência como a velocidade angular foi aumentada de zero a cerca de 1,6 rotações por segundo.

Teste de Einstein

Embora este não é o giroscópio átomo primeiro a ser feito, a equipe diz que a sua gama dinâmica é 1000 vezes maior do que as versões anteriores. Outra diferença importante entre este e giroscópios outro átomo é que o padrão de interferência não depende da velocidade dos átomos, o que significa que o ruído ea incerteza nas medições não degradar seu desempenho.

Dois giroscópios atômica em ação

Kasevich acredita que a técnica também pode ser adaptado para medir - pela primeira vez em um ambiente de laboratório - a pequenas correções para a trajetória de qualquer objeto resultante da teoria geral da relatividade de Einstein. "Como a nossa técnica de interferometria-átomo determina essencialmente trajetória, em última instância, a mudança de fase interferômetro deve refletir as correções trajetória relacionados à relatividade geral", diz ele. Kasevich e seus colegas planejam agora para aprimorar sua técnica para que seja sensível o suficiente para medir esse efeito, conhecido como "precessão geodésica", e implementá-lo em um 10 "torre de queda" m que está sendo construída em Stanford.

Embora o "geodésica precessão" da relatividade geral já havia sido medido com instrumentos a bordo de satélites, Holger Müller, da Universidade da Califórnia, Berkeley pensa que "a confirmação por interferômetros átomo seria recebido com grande interesse". No entanto, ele adverte que a implementação do experimento de atualização nos 10 m torre será "um desafio".

Kasevich também tem planos de implementar a tecnologia em pequenos dispositivos que poderiam ser usados ​​em sistemas de navegação - e de fato já está associado a uma pequena empresa chamada AOsense, com sede em Sunnyvale, Califórnia, que planeja fazer exatamente isso. Kasevich disse physicsworld.com que um dispositivo com um volume de apenas 1 cm ³ pode ser útil para aplicações de navegação terrestre. O experimento atual está contido dentro de um escudo cúbicos magnético com lados que medem cerca de 50 cm.

A pesquisa é descrita na revista Physical Review Letters .