Разработан новый тип гироскопа, основанного на интерференции атомов, который может опре-делить широту, где он находится, - а также указать истинный север и измерить скорость вращения Земли. Устройство было разработано физиками в США, которые надеются градуировать-повысить его так, что он может проверить общую теорию относительности Эйнштейна. Они также хотят миниатюризировать технологию, так что его можно использовать в портативных навигационных системах.
Гироскоп был создан группой под руководством Марка Казевича (Mark Kasevich) в Стэнфордском университете в Калифорнии. Она работает, запуская облако атомов вверх под небольшим углом к вертикали, так что атомы летят по параболической траектории под действием гравитации. Серию лазерных импульсов затем выстреливают в облако во время полета, и атомы разделяются в различные пучки, которые летят различными траекториями. Импульсы тщательно выверены так, чтобы две эти траектории пересекались на детекторе.
Учитывая, что атомы подчиняются квантовой механике, они ведут себя как волны с относительным сдвигом по фазе между атомами с разными путями. В результате интерференции де-тектор фиксирует информацию, в которой имеются отчасти и относительная ориентация лазерных импульсов, и гравитация, и вращение Земли.
Навигация
Устройство настроено так, что лазерные импульсы выстреливают по горизонтали - то есть, перпендикулярно тяжести - и был протестирован поворотом ориентации лазерных импульсов около гравитационной оси. В результате интерференционная картина являет собой почти идеальную синусоиду с амплитудой, зависящей от скорости вращения Земли и широты места, где производится измерение. Так как мы знаем скорость вращения Земли, то широта, поэтому может быть легко определена. Направление истинного севера и юга получаются как направление лазерных импульсов, когда амплитуда синусоиды равна нулю.
Поскольку гироскоп также чувствителен к своему собственному относительному движению, то как показали Касевич и его коллеги, это оно может быть использовано для "инерциальной навигации", согласно которой расположение транспортного средства (или человека) рассчитывается от начальной точки зная все его дальнейшие движения. Группа Касевича продемонстрировала это, вращая гироскоп вокруг оси, перпендикулярной и к тяжести и к направлению лазерных импульсов, что привело к устойчивым изменениям интерференционной картины, в то время как угловую скорость увеличивали от нуля до 1,6 оборотов в секунду.
Проверка Эйнштейна
Хотя это не первый атомный гироскоп, который был сделан, но его динамический диапазон в 1000 раз больше, чем у предыдущих версий. Еще одно важное отличие между этим и другими атомными гироскопами: интерференционная картина не зависит от скорости атомов, а это означает, что шум и неопределенность при измерениях не ухудшают его работу.
Касевич считает, что технология может быть адаптирована для измерения - впервые в лабораторных условиях - микоскопических поправок к траектории любого объекта, в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна. "Поскольку наш техника атом-интерферометрии существенно определяет траекторию, а в конечном итоге, сдвиг фазы, то интерферометр должен чувствовать поправки к траектории, связанные с общей теорией относительности", говорит Касевич. Касевич и его коллеги теперь планируют усовершенствовать свою технику так, чтобы она была достаточно чувствительна, чтобы измерить эффект, известный как "геодезическая прецессия"
Хотя "геодезическую прецессию" общей теории относительности ранее измеряли с помощью приборов на борту спутника, Хольгер Мюллер (Holger Müller) из Университета Калифорнии, Беркли считает, что "подтверждение этого эффекта атомными интерферометрами будет встречено с большим интересом".
Касевич также планирует внедрить технологию в небольших устройствах, которые можно использовать в навигационных системах - и в самом деле уже начата работа с небольшой компанией под названием AOsense, расположенной в г. Саннивейл, штат Калифорния, которая планирует сделать именно это. Касевич рассказал
physicsworld.com
, что устройство с объемом всего в 1 см 3 может быть полезным для наземных навигационных приложений. В настоящее время эксперимент проводится в кубическом магнитном экране со сторонами, которые составляют, приблизительно 50 см.
Исследования описаны в журнале
Physical Review Letters
.
Об авторе
Хэмиш Джонстон (Hamish Johnston ), редактор
physicsworld.com