نسخه‌ي بهبود يافته از ژيروسكوپ اتم سرد مي‌تواند به ابزارهايي قابل حمل و فوق دقيق براي جهت‌يابي و آزمودن فيزيك بنيادي منجر شود.

NASA/P. Berg/Leibniz Univ. of Hannover

آشكارسازي چرخش. در ژيروسكوپ اتم سرد، اتم‌ها مانند موج عمل كرده، در دو مسير (زرد) حركت مي‌كنند و توسط پالس‌هاي ليزر (قرمز) مورد هدف قرار مي‌گيرند. در طراحي جديد، در هر سه نقطه‌ي برهمكنش به جاي يك تك پالس، چندين پالس ليزر وجود دارد. اين پالس‌هاي اضافي حالت‌هاي اتمي را تحت تاثير قرار داده و اتم‌ها را در بيشتر طول مسيرشان در يك حالت نگه مي‌دارند كه نوفه noise را كاهش مي‌دهد. تداخل موجي آشكارسازي شده در سمت راست اين طراحي، مي‌تواند آهنگ چرخش زمين را با دقت 1% تعيين كند.

يك طراحي بهبود يافته از دستگاه اندازه‌گيري چرخش بر اساس ابرهاي اتم سرد، حساسيتي دو برابر نسبت به ابزارهاي مشابه داشته و به گفته‌ي سازندگانش مي‌تواند با ارتقاءهاي بعدي در زمره‌ي بهترين‌هاي دنيا قرار بگيرد. اين وسيله يك تداخل سنج اتمي است، وسيله‌اي كه از طبيعت موجي اتم‌ها استفاده مي‌كند و تيم تحقيقاتي از آن براي اندازه‌گيري چرخش زمين با دقتي در حدود 1% بهره برده است. آن‌ها مي‌گويند چون قادريم تداخل‌سنج‌هاي اتمي را كوچك و قابل حمل بسازيم، از نسخه هاي بعدي آن مي‌توان در ژيروسكوپ‌هاي پايدار و فوق العاده حساس در سيستم جهت‌يابي هواپيماها و كشتي‌ها استفاده كرد. اين وسيله‌ها همچنين مي‌توانند اندازه‌گيري دقيقي از گرانش انجام داده و اصول نظريه‌ي نسبيت را محك بزنند.

پژوهشگران تداخل سنج‌هاي اتمي را براي اندازه‌گيري دقيق گرانش و چرخش به كار برده‌اند. پيشرفت فناوري مي‌تواند در اندازه‌گيري آهنگ رانش قاره‌ها و تغيير مكان زمين لرزه و همچنين فراهم كردن كنترل و پشتيباني خارجي در فناوري جهت يابي مانند GPS سودمند باشد. دقيق‌ترين اندازه‌گيري‌ها از چرخش زمين توسط ماشين‌هاي بزرگ انجام مي‌شود اما تداخل سنج اتم سرد خبر از وسيله اندازه‌گيري دقيق و در عين حال قابل حمل مي‌دهد.

تداخل سنج كلاسيك از امواج نور استفاده مي‌كند. به عنوان مثال،‌در تداخل سنج ماخ-زندر، آينه‌اي نيم نقره اندود («شكافنده‌ي پرتو»)، يك پالس نور را به دو بخش تقسيم كرده و پرتو‌ها را به جهت‌هاي مختلفي مي‌فرستد. سپس اين پالس‌ها به آينه‌هاي ديگري برخورد مي‌كنند  كه آن‌ها را دوباره به هم نزديك كرده در شكافنده‌ي پرتوي دومي با يكديگر بازتركيب مي‌شوند. در اين قسمت نور خروجي آشكارسازي مي‌شود. اين دو پرتو مسيري الماس شكل را جاروب مي‌كنند به طوري كه هر كدام از پالس‌ها يكي از كناره‌ها را شكل مي‌دهد. اگر مسيري كه يكي از پرتوها طي كرده كمي بيشتر از ديگري باشد، هنگام به هم رسيدن دو پرتو امواجشان اندكي اختلاف فاز خواهند داشت و به طور جزوي يكديگر ار خنثي مي‌كنند. حساسيت يك تداخل سنج به طول موج بستگي دارد، بنابراين محققان با استفاده از اتم‌ها كه ذات كوانتومي‌شان طول موج‌هاي بسيار كوتاهتري ايجاد مي‌كند دقت را به مقدار زيادي بالا برده‌اند.

در يكي از نسخه‌هاي تداخل سنج اتمي، ابري از اتم‌هاي سرد به طور افقي حركت كرده و در حيني كه محدوده مورد نظر را جاروب مي‌كند به وسيله‌ي رديفي از سه پالس ليزر مورد هدف قرار مي‌گيرد. پالس ليزر نقش آينه‌ها و دو شكافنده‌ي پرتو در تداخل سنج نوري را بازي مي‌كند. اولين پالس، اتم‌ها را به تركيب كوانتومي از دو وضعيت مي‌برد: 1- انحراف به چپ در حالت پايه و 2- انحراف به راست در يك حالت برانگيخته. پالس دوم، دو ابر را دوباره به سمت هم آورده و حالت‌هاي كوانتومي آن‌ها را با هم عوض مي‌كند و سومين پالس هم دو ابر را با يكديگر تركيب مي‌كند تا آماده‌ي اندازه‌گيري تعداد اتم‌ها در حالت برانگيخته شود. در تداخل سنج اتمي، معناي موج به جاي ميدان الكتريكي نوساني در تداخل سنج نوري، نوسانِ احتمالِ اين است كه اتم‌ها در حالت برانگيخته باشند. از آنجا كه زمين مي‌چرخد، يكي از ابرها اندكي بيشتر از ديگري حركت مي‌كند كه منجر به حذف جزئي امواج احتمال شده و نهايتاً بر تعداد اتم‌هاي اندازه‌گيري شده اثر خواهد گذاشت.

يكي از منابع اصلي در خطاي اندازه‌گيري تداخل سنج‌هاي قبلي ناشي از اين بود كه دو ابر در حالت‌هاي كوانتومي متفاوت (پايه و برانگيخته)، ‌مسافت‌ نسبتاً طولاني‌اي را طي مي‌كردند. نيروهاي خارجي به ويژه ميدان‌هاي مغناطيسي مي‌توانست روي ابرها اثرهاي متفاوتي بگذارد و در نتيجه در اندازه‌گيري عدم قطعيت (نوفه) به وجود بياورد. گروه تحقيقاتي به سرپرستي ارنست راسل  Ernst Rasel از دانشگاه لِيبنيز در هانوفر آلمان، با نگه داشتن ابرها در حالت پايه در بخش اعظم آزمايش، توانست اين نوفه را كاهش دهد به طوري كه هر دو ابر از نيروهاي خارجي تاثير يكساني مي‌پذيرفتند. اين گروه از چندين پالس ليزر در هر سه نقطه‌ي برهمكنش استفاده كرد و فقط گذار كوتاهي بين دو حالت ايجاد نمود.

بر طبق اندازه‌گيري‌ آن‌ها از آهنگ چرخش زمين با دقت 1%، گروه اظهار مي‌كند كه اين تكنيك دو برابر حساس‌تر از ژيروسكوپ‌ اتم سرد پيشرفته‌ است. اين افراد معتقدند مي‌توانند حساسيت دستگاه را حداقل ده برابر افزايش داده و آن را تبديل به پهترين ژيروسكوپ مورد استفاده در حال حاضر كنند كه به جاي مساحت لازمِ 16 مترمربع براي حساس‌ترين ژيروسكوپ‌ها فقط به 40 ميلي‌متر مربع نياز دارد. پيتر برگ Peter Berg عضو تيم هانوفر مي‌گويد همين تكنيك مي‌تواند آزمايش‌هايي كه در آن‌ها تداخل سنج با جهت عمودي براي آزمودن هم ارزيِ گرانش و نيروهاي لختي، يعني اصل محوري نسبيت، به كار مي‌روند را هم بهبود ببخشد. به گفته‌ي هالگر مولر Holger Müller از دانشگاه كاليفرنيا در بركلي، چنين كاري با كاهش يكي از دلايل مهم خطا در تداخل سنج‌هاي اتمي مي‌تواند فناوري را از محدوده‌ي آزمايشگاهي خارج كرده و به استفاده‌ي عمومي‌تر آن كمك كند.

تحقيق مذكور در Physical Review Letters به چاپ رسيده است.

منبع

A Better Quantum Gyroscope