یک ژیروسکوپ کوانتومی بهتر
نسخه‌ی بهبود یافته از ژیروسکوپ اتم سرد می‌تواند به ابزارهایی قابل حمل و فوق دقیق برای جهت‌یابی و آزمودن فیزیک بنیادی منجر شود.
آشکارسازی چرخش. در ژیروسکوپ اتم سرد، اتم‌ها مانند موج عمل کرده، در دو مسیر (زرد) حرکت می‌کنند و توسط پالس‌های لیزر (قرمز) مورد هدف قرار می‌گیرند. در طراحی جدید، در هر سه نقطه‌ی برهمکنش به جای یک تک پالس، چندین پالس لیزر وجود دارد. این پالس‌های اضافی حالت‌های اتمی را تحت تاثیر قرار داده و اتم‌ها را در بیشتر طول مسیرشان در یک حالت نگه می‌دارند که نوفه noise را کاهش می‌دهد. تداخل موجی آشکارسازی شده در سمت راست این طراحی، می‌تواند آهنگ چرخش زمین را با دقت 1% تعیین کند.
یک طراحی بهبود یافته از دستگاه اندازه‌گیری چرخش بر اساس ابرهای اتم سرد، حساسیتی دو برابر نسبت به ابزارهای مشابه داشته و به گفته‌ی سازندگانش می‌تواند با ارتقاءهای بعدی در زمره‌ی بهترین‌های دنیا قرار بگیرد. این وسیله یک تداخل سنج اتمی است، وسیله‌ای که از طبیعت موجی اتم‌ها استفاده می‌کند و تیم تحقیقاتی از آن برای اندازه‌گیری چرخش زمین با دقتی در حدود 1% بهره برده است. آن‌ها می‌گویند چون قادریم تداخل‌سنج‌های اتمی را کوچک و قابل حمل بسازیم، از نسخه های بعدی آن می‌توان در ژیروسکوپ‌های پایدار و فوق العاده حساس در سیستم جهت‌یابی هواپیماها و کشتی‌ها استفاده کرد. این وسیله‌ها همچنین می‌توانند اندازه‌گیری دقیقی از گرانش انجام داده و اصول نظریه‌ی نسبیت را محک بزنند.
پژوهشگران تداخل سنج‌های اتمی را برای اندازه‌گیری دقیق گرانش و چرخش به کار برده‌اند. پیشرفت فناوری می‌تواند در اندازه‌گیری آهنگ رانش قاره‌ها و تغییر مکان زمین لرزه و همچنین فراهم کردن کنترل و پشتیبانی خارجی در فناوری جهت یابی مانند GPS سودمند باشد. دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها از چرخش زمین توسط ماشین‌های بزرگ انجام می‌شود اما تداخل سنج اتم سرد خبر از وسیله اندازه‌گیری دقیق و در عین حال قابل حمل می‌دهد.
تداخل سنج کلاسیک از امواج نور استفاده می‌کند. به عنوان مثال،در تداخل سنج ماخ-زندر، آینه‌ای نیم نقره اندود («شکافنده‌ی پرتو»)، یک پالس نور را به دو بخش تقسیم کرده و پرتوها را به جهت‌های مختلفی می‌فرستد. سپس این پالس‌ها به آینه‌های دیگری برخورد می‌کنند که آن‌ها را دوباره به هم نزدیک کرده در شکافنده‌ی پرتوی دومی با یکدیگر بازترکیب می‌شوند. در این قسمت نور خروجی آشکارسازی می‌شود. این دو پرتو مسیری الماس شکل را جاروب می‌کنند به طوری که هر کدام از پالس‌ها یکی از کناره‌ها را شکل می‌دهد. اگر مسیری که یکی از پرتوها طی کرده کمی بیشتر از دیگری باشد، هنگام به هم رسیدن دو پرتو امواجشان اندکی اختلاف فاز خواهند داشت و به طور جزوی یکدیگر ار خنثی می‌کنند. حساسیت یک تداخل سنج به طول موج بستگی دارد، بنابراین محققان با استفاده از اتم‌ها که ذات کوانتومی‌شان طول موج‌های بسیار کوتاهتری ایجاد می‌کند دقت را به مقدار زیادی بالا برده‌اند.
در یکی از نسخه‌های تداخل سنج اتمی، ابری از اتم‌های سرد به طور افقی حرکت کرده و در حینی که محدوده مورد نظر را جاروب می‌کند به وسیله‌ی ردیفی از سه پالس لیزر مورد هدف قرار می‌گیرد. پالس لیزر نقش آینه‌ها و دو شکافنده‌ی پرتو در تداخل سنج نوری را بازی می‌کند. اولین پالس، اتم‌ها را به ترکیب کوانتومی از دو وضعیت می‌برد: 1- انحراف به چپ در حالت پایه و 2- انحراف به راست در یک حالت برانگیخته. پالس دوم، دو ابر را دوباره به سمت هم آورده و حالت‌های کوانتومی آن‌ها را با هم عوض می‌کند و سومین پالس هم دو ابر را با یکدیگر ترکیب می‌کند تا آماده‌ی اندازه‌گیری تعداد اتم‌ها در حالت برانگیخته شود. در تداخل سنج اتمی، معنای موج به جای میدان الکتریکی نوسانی در تداخل سنج نوری، نوسانِ احتمالِ این است که اتم‌ها در حالت برانگیخته باشند. از آنجا که زمین می‌چرخد، یکی از ابرها اندکی بیشتر از دیگری حرکت می‌کند که منجر به حذف جزئی امواج احتمال شده و نهایتاً بر تعداد اتم‌های اندازه‌گیری شده اثر خواهد گذاشت.
یکی از منابع اصلی در خطای اندازه‌گیری تداخل سنج‌های قبلی ناشی از این بود که دو ابر در حالت‌های کوانتومی متفاوت (پایه و برانگیخته)، مسافت نسبتاً طولانی‌ای را طی می‌کردند. نیروهای خارجی به ویژه میدان‌های مغناطیسی می‌توانست روی ابرها اثرهای متفاوتی بگذارد و در نتیجه در اندازه‌گیری عدم قطعیت (نوفه) به وجود بیاورد. گروه تحقیقاتی به سرپرستی ارنست راسل Ernst Rasel از دانشگاه لِیبنیز در هانوفر آلمان، با نگه داشتن ابرها در حالت پایه در بخش اعظم آزمایش، توانست این نوفه را کاهش دهد به طوری که هر دو ابر از نیروهای خارجی تاثیر یکسانی می‌پذیرفتند. این گروه از چندین پالس لیزر در هر سه نقطه‌ی برهمکنش استفاده کرد و فقط گذار کوتاهی بین دو حالت ایجاد نمود.
بر طبق اندازه‌گیری آن‌ها از آهنگ چرخش زمین با دقت 1%، گروه اظهار می‌کند که این تکنیک دو برابر حساس‌تر از ژیروسکوپ اتم سرد پیشرفته است. این افراد معتقدند می‌توانند حساسیت دستگاه را حداقل ده برابر افزایش داده و آن را تبدیل به پهترین ژیروسکوپ مورد استفاده در حال حاضر کنند که به جای مساحت لازمِ 16 مترمربع برای حساس‌ترین ژیروسکوپ‌ها فقط به 40 میلی‌متر مربع نیاز دارد. پیتر برگ Peter Berg عضو تیم هانوفر می‌گوید همین تکنیک می‌تواند آزمایش‌هایی که در آن‌ها تداخل سنج با جهت عمودی برای آزمودن هم ارزیِ گرانش و نیروهای لختی، یعنی اصل محوری نسبیت، به کار می‌روند را هم بهبود ببخشد. به گفته‌ی هالگر مولر Holger Müller از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، چنین کاری با کاهش یکی از دلایل مهم خطا در تداخل سنج‌های اتمی می‌تواند فناوری را از محدوده‌ی آزمایشگاهی خارج کرده و به استفاده‌ی عمومی‌تر آن کمک کند.
تحقیق مذکور در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.
psi.ir
انجمن فیزیک هوپا
