فیزیک‌پیشگان در حال توسعه‌ی یک شتاب‌سنج برای ناوگان سلطنتی انگلستان هستند که بر اساس تداخل کوانتومیِ اتم‌های فوق‌سرد کار می‌کند. این قطعه٬ زیردریایی‌ها را قادر خواهد ساخت تا موقعیت خود را در زیر آب تا دقت یک متر پس از یک روز سفر به شکل دقیق معین کنند٬ بدون آنکه برای استفاده از GPS به سطح بیایند. با توسعه‌ی بیشتری که بر روی این قطعه انجام خواهد شد می‌توان این سیستم را برای جستجوی نفت یا حتی انجام «اسکن‌های گرانشی» اشیاء مخفی نیز بکار برد.

از دهه‌ی ۱۹۹۰ فیزیک‌دانان قادر به انجام آزمایش‌های تداخلی با اتم‌های فوق‌سرد شده‌اند. در کار پیش‌گامانه‌ای که توسط مارک کاسویچ (Mark Kasevich) از دانشگاه استانفورد انجام‌شده٬ نسخه‌ی کلاسیکی این آزمایش شامل اتمی است که تحت تاثیر گرانش زمین قرار دارد. یک پالس لیزری بر روی این اتم شلیک می‌شود و نتیجه آن‌که این اتم در حالت برهم‌نهی از دو حالت کوانتومی قرار می‌گیرد و مسیرهای مختلفی را بسیار شبیه فوتون‌هایی که در یک تداخل‌سنج اپتیکی سیر می‌کنند٬ دنبال می‌کند. یک پالس دوم این حالات را باهم‌دیگر ترکیب کرده و تداخل نتیجه‌شده اندازه‌ی دقیقی از گرانش را بدست می‌دهد. چیزی که حتی می‌تواند به ظهور اثراتی ظریف از نظریه‌ی عام گرانش منجر شود.

بی‌نهایت حساس

چنان قطعه‌ای را می‌توان به عنوان یک شتاب‌سنج عمودی بی‌نهایت حساس نیز بکار برد. اکنون اِد هیندز (Ed Hinds) و همکارانش از کالج سلطنتی لندن این آزمایش را انجام داده و آن را به اندازه‌ی ۹۰ درجه چرخش داده‌اند تا شتاب‌سنجی را بسازند که در جهت افقی کار می‌کند. این قطعه از حدود یک میلیون اتم روبیدیوم استفاده می‌کند. این اتم‌ها با استفاده از میدان مغناطیسی و نور لیزر بر روی یک تراشه‌ جمع شده و به دام می‌افتند.

ویژگی مهم این تراشه آن است که یک پرتوی نور لیزر برای به دام انداختن این اتم‌ها استفاده می‌شود. یک پرتوی لیزری بر روی سطح شبکه‌ای شلیک شده و پرتوهای مختلفی از نور پراکنده‌شده ایجاد می‌شود. این پرتوها نیز به نوبه‌ی خود همراه با یک میدان مغناطیسی برای به‌ تله انداختن اتم‌ها بکار می‌رود.

چنان اتم‌هایی دو حالت پایه‌ی کوانتومی دارند که پژوهش‌گران آن‌ها را با |1〉 و |2〉 نمایش می‌دهند. این سیستم چنان مهیا می‌شود که تمامی اتم‌ها در حالت |1〉 باشند و سپس یک پالس لیزری آن‌ها را به یک حالت برهم‌نهی |1〉 و |2〉 وارد می‌سازد. این کار به عهده‌ی اولین شکافنده‌ی پرتو در تداخل‌سنج سایناک است. حالت |1〉 پس‌زنی ندارد در‌حالی‌که حالت |2〉 در جهتی که توسط پرتوهای نوری تعریف می‌شود پس زنی دارد. سپس پالس نوری دوم به اتم‌ها زده می‌شود و این کار باعث تعویض حالات می شود: حالت |1〉 (بدون پس‌زنی) به حالت |2〉 (با پس زنی) تبدیل می‌شود و برعکس که متناظر است با دو آینه‌ی یک تداخل‌سنج اپتیکی٬ که دو پرتوی واگرای نوری را به سمت شکافنده‌ی پرتوی ثانوی سوق می‌دهد٬ جایی‌که آن‌ها بازترکیب شوند. سرانجام یک پالس سوم نقش یکسانی همچون شکافنده‌ی پرتوی دومِ تداخل‌سنج اپتیکی بازی می‌کند.

تصویرسازی نشان می دهد که چگونه یک تک‌پرتوی لیزری پراش از یک سطح به چهار پرتو تبدیل می‌شود. سپس این پرتوها برای به دام انداختن اتم‌های فوق سرد در شتاب‌سنج جدید مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مسیرهای مختلف

اندازه‌گیری انجام شده٬ و تعداد اتم‌های موجود در حالت |1〉 و |2〉 تعیین می‌شود. هر دوی این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان برای محاسبه‌ی فاز تداخل‌سنج مورد استفاده قرار داد. فاز تداخل‌سنج به اختلاف مسیر موثر که توسط دو حالت ایجاد می‌شود مرتبط است. این اختلاف راه با شتاب اتم‌ها در جهت پرتوهای نوری متناسب است.

طراحی و عمل ساده‌ی این شتاب‌سنج در اصل به این معنی است که می‌توان آن را برای استفاده در زیردریایی‌ها کوچک‌سازی کرد. در واقع اتاقکی که اتم‌ها در آن نگه داشته می‌شوند پیش‌تر بر روی یک تراشه کوچک‌سازی شده است. با این حال٬ مولفه‌های اپتیکی و الکترونیکی هنوز بر روی یک میز اپتیکی سوار شده است. چالش اصلی دیگر ساخت تراشه‌ای است که نسبت به گاز هلیوم نفوذناپذیر باشد. چون گاز هلیوم می‌تواند از دیواره‌ها نفوذ کرده و نهایتاً خلائی که اتم‌ها در آن نگه داشته می‌شوند را آلوده سازد.

اسکنرهای گرانشی

این تیم در حال حاضر کار بر روی کوچک‌سازیِ مولفه‌های اپتیکی و الکترونیکیِ این شتاب‌سنج را در پیش گرفته تا بتواند آن‌ را در فضای ۱ مترمکعبی جای دهد. هرچند این‌ کار سبب می‌شود این قطعه برای استفاده در زیردریایی‌ها مناسب باشد٬ اما قبل از آن‌که همراه یک مته‌ی سوراخ‌کن اکتشاف نفت یا دیگر رسوبات معدنی فرستاده شود٬ لازم است تا بیش از این نیز کوچک شود (مثلاً تا اندازه‌ی یک قوطی نوشیدنی). دیگر کاربردهایی که در طول ۵ تا ۱۰ سال آینده می‌توان به آن دست یافت شامل «اسکنرهای گرانشی» است که قادر است نگاه دقیق‌تری به داخل محفظه‌های مهر و موم شده انداخته و نقشه‌‌ی چگالی درون آن‌ها تعیین کند.

آن‌طور که ایندز به physicsworld.com می‌گوید٬ احتمال دارد که قطعات مشابهی برای نیروی دریایی سایر کشورها نیز ساخته شود. در واقع کاسویچ و همکارانش از یک تداخل‌سنج اتمی برپایه‌ی «ژیروسکوپ کوانتومی» پرده‌برداری کرده‌اند. این وسیله اساساً شتاب‌سنجی است که می‌توان از آن در ناوبری استفاده برد. به گفته‌ی کاسویچ٬ این فناوری بواسطه‌ی AOsense (شرکتی که وی یکی از بنیان‌گذاران آن است) به سوی تجاری‌شدن پیش می‌رود ("Falling atoms measure the Earth's rotation" را ببینید).

تراشه‌ای که توسط هیندز برای به دام انداختن اتم‌های روبیدیوم استفاده شده در Nature Nanotechnology توصیف شده است.

نسبیت عام در معرض آزمایش

اخیراً پیشرفت دیگری در این زمینه رخ داده است. فیزیک‌پیشگانی از آلمان و ایالات متحده از یک تداخل سنج اتمی برای اندازه‌گیری اثرات گرانش بر روی دو نوع اتم مختلف (روبیدیوم و پتاسیم) استفاده کرده‌اند. بر اساس نتایج این آزمایش٬ شتابی که هر دو نوع از این اتم‌ها ناشی از گرانش تجربه می‌کنند٬ به میزان ۱ در ده میلیون یکسان است. این آخرین اثبات بر جهان‌شمولی سقوط آزاد است؛ چیزی که سنگ بنای نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین به حساب می‌آید. اتم‌های روبیدوم به اندازه‌ی دو برابر سنگین‌تر از همتای پتاسیمی خود هستند. اگر این اتم‌ها پاسخ متفاوتی را در مقابل گرانش داشته‌ باشند٬ فیزیک‌دانان به سوی نظریه گرانش کوانتومی سوق می‌یابند.

پژوهشی که توسط ارنست راسل (Ernst Rasel) از دانشگاه لایبنیتسِ هانوور و همکارانش بر روی جهان‌شمولی سقوط آزاد انجام شده در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

منبع:

A quantum accelerometer is being built for navy submarines

درباره‌ی نویسنده:

هامیش جانستون (Hamish Johnston) ویراستار physicsworld.com است.