Transportabelt optisk ur, der bruges til at måle gravitation for første gang

Et europæisk samarbejde, der involverer ureksperter fra National Physical Laboratory (NPL), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) og Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) har brugt et transportabelt optisk atomur til at måle gravitation for første gang. Resultaterne af forsøget blev offentliggjort i Naturfysik .

Indtil nu, sådanne sarte ure har været begrænset til laboratorier på få store forskningsinstitutioner. Imidlertid, forskere ved PTB har udviklet et transportabelt strontium optisk gitterur til udførelse af målinger i feltet. Det transportable ur blev kørt i en vibrationsdæmpet og temperaturstabiliseret trailer til det franske Modane Underground Laboratory (LSM). Det tværfaglige laboratorium er placeret midt i Fréjus vejtunnel mellem Frankrig og Italien.

Der, holdet målte tyngdekraftspotentialforskellen mellem den nøjagtige placering af uret inde i bjerget og et andet ur ved INRIM, der ligger 90 km væk i Torino, Italien, ved en højdeforskel på omkring 1, 000 m.

Den nøjagtige sammenligning af de to ure blev muliggjort ved hjælp af en 150 km lang optisk fiberforbindelse oprettet af INRIM og en frekvenskam fra NPL for at forbinde uret til forbindelsen. Forskere fra Leibniz Universität Hannover bestemte også tyngdekraftspotentialforskellen ved hjælp af konventionelle geodætiske teknikker, og de to målinger viste sig at være konsistente.

Med forbedringer af nøjagtigheden af ​​det transportable optiske ur, denne teknik har potentiale til at løse højdeforskelle så små som 1 cm over Jordens overflade. Fordelen ved at bruge optiske ure er, at de kan foretage målinger på bestemte punkter i modsætning til satellitbaserede målinger, såsom GRACE og GOCE, som gennemsnitlige tyngdekraftspotentialet over længdeskalaer på cirka 100 km.

Denne nye metode kan føre til målinger med højere opløsning af Jordens tyngdekraftspotentiale, tillader forskere at overvåge kontinentale højdeændringer relateret til havniveau og dynamikken i havstrømme med en hidtil uset nøjagtighed. Det vil også føre til mere konsekvente nationale højdesystemer.

I øjeblikket, forskellige lande måler Jordens overflade på samme måde, men i forhold til forskellige referenceniveauer. Dette har ført til problemer - en sådan er Hochrhein -broen mellem Tyskland og Schweiz, hvor konstruktion på hver side brugte forskellige havniveauberegninger, hvilket fører til en uoverensstemmelse på 54 cm mellem de to sider.

At opnå overensstemmelse mellem nationale højdesystemer vil forhindre dyre fejl i ingeniør- og byggeprojekter. Forbedrede målinger af tyngdekraftspotentialet kan også bidrage til at forbedre vores forståelse af geodynamiske effekter forbundet med masseændringer under jordens overflade.

Denne teknologi vil også måle skiftende havniveauer i realtid, giver forskere mulighed for at spore sæsonbetonede og langsigtede tendenser i ismasser og overordnede ændringer i havmassen. Sådanne data giver kritisk input til modeller, der bruges til at studere og forudsige virkningerne af klimaændringer.

Helen Margolis, stipendiat i optiske frekvensstandarder og metrologi på NPL, sagde, "Vores principprøvede eksperiment viser, at optiske ure kan være en måde at fjerne uoverensstemmelser og harmonisere målinger foretaget på tværs af landegrænser. En dag, sådan teknologi kan hjælpe med at overvåge ændringer i havniveauet som følge af klimaændringer. "

Gruppeleder Christian Lisdat hos PTB, sagde, "Optiske ure anses for at være den næste generation af atomure - der fungerer ikke kun i laboratorier, men også som mobile præcisionsinstrumenter."

Davide Calonico hos INRIM, sagde, "Vi demonstrerede, at optiske ure er værdifulde kvantesensorer, og deres kvanteteknologi er gavnlig uden for primær metrologi, i geodesi. Sammen, optiske ure og optiske fiberforbindelser giver mulighed for at få adgang til nye og fascinerende videnskabelige undersøgelser "

Heiner Denker ved Leibniz Universität Hannover, sagde, "De nyudviklede optiske ure har potentialet til at revolutionere geodætisk højdebestemmelse, da de kan overvinde nogle af begrænsningerne ved klassiske geodætiske teknikker. Optiske ure kan bidrage til at etablere et samlet referencesystem i verdenshøjde med betydelig indvirkning på geodynamisk og klimaforskning. "