NISTs kompakte atomgyroskop viser nye vendinger

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opgraderet deres kompakte atomgyroskop for at muliggøre multitasking -målefunktioner og måle dets ydeevne, vigtige trin i retning af praktiske anvendelser.

Beskrevet i et nyt papir, Kvantegyroskopets design og evalueringsprocesser blev ledet af tre kvinder - en yderst usædvanlig situation inden for fysik og en kilde til stolthed for projektleder Elizabeth Donley ved NIST. Postdoktorer Yun-Jhih Chen og Azure Hansen genopbyggede apparatet totalt i løbet af de sidste par år.

"Ikke kun byggede vi et simpelt kvantegyroskop, men det er første gang nogen har demonstreret samtidig måling af rotation, rotationsvinkel og acceleration med en enkelt atomkilde, "Sagde Donley." Andre gyroskoper, herunder de klassiske, der i øjeblikket bruges i telefoner og fly, kan kun måle en rotationsakse. Dette er også første gang, vi rapporterer om en følsomhed for accelerations- og rotationsmålingerne. "

NIST -teamet målte tidligere rotation med en tidligere version af kvantegyroskopet. Apparatet blev opgraderet for at øge signalstyrken og dataindsamlingshastigheden for at muliggøre konkurrencedygtige følsomhedsmålinger. Forskere tilføjede også en algoritme til genkendelse af mønstre, der stammer fra maskinlæring for automatisk at udtrække information fra billeder af atomerne.

NIST -gyroskopet er et atominterferometer, udnytter det faktum, at atomer kan fungere som både partikler og bølger. Rotation og acceleration udledes af billeder af interfererende stofbølger (som viser sandsynligheden for en partikels position i rummet) fra atomer i to forskellige energitilstande.

Atominterferometre kunne bruges i navigation og geodesi (studiet af Jordens form baseret på målinger af tyngdekraften) på grund af deres følsomhed over for acceleration og rotation kombineret med deres langsigtede stabilitet og nøjagtighed. Udviklingen af ​​små, let, Atominterferometre med lav effekt er nøglen til at flytte instrumenterne ud af laboratoriet til applikationer i marken.

NIST -teamet udviklede en forenklet ordning, der er egnet til bærbare applikationer ved hjælp af en enkelt, lille sky af atomer, der kun falder med et par millimeter under målingerne. Et glaskammer på kun 1 kubikcentimeter i volumen indeholder omkring 10 millioner kolde rubidiumatomer, der er fanget og frigivet.

I øjeblikket, et optisk bord i fuld størrelse er påkrævet til laserne, og et par stativer elektronik er også nødvendige. Laseropsætningen skulle gøres mere kompakt og integreret, før gyroskopet kunne bruges i marken, Sagde Donley. Andre forskningsgrupper reducerer størrelsen på disse lasersystemer, tilføjede hun.

NIST -gyroskopets følsomheder for rotationsmålingernes størrelse og retning er 0,033 grader i sekundet og 0,27 grader med et sekund i gennemsnitstid, henholdsvis. Disse resultater nærmer sig følsomhedsniveauerne opnået af andre forskergrupper ved hjælp af meget større atominterferometre, Sagde Donley. I øvrigt, NIST -gyroskopet er unikt, fordi det kan måle rotationer langs to akser og en acceleration langs en akse samtidigt med en enkelt atomkilde.

I NIST -gyroskopet når atomerne først er fanget i en sky og derefter frigives til at falde under tyngdekraften, en laserstråle får dem til at skifte mellem to energitilstande. Denne proces involverer absorption og emission af lette partikler, som giver atomerne momentum og får deres stofbølger til at adskille og senere rekombineres til at forstyrre. Når atomerne fremskynder eller roterer, deres stofbølger skifter og forstyrrer på forudsigelige måder, synlig i billeder af den udvidede sky.

Atomer afbildes ved at skinne et sekund, svag laserstråle gennem skyen. Fordi atomer i forskellige energitilstande absorberer lys fra forskellige frekvenser, billederne viser interferensbånd af atompopulationer i de to forskellige tilstande. Rotationshastigheden og rotationsaksen måles ved at analysere afstanden og retningen af ​​interferensbåndene over atomskyen. Acceleration måles ud fra ændringer i det centrale bånds position. Interferometeret er følsomt over for acceleration langs laserstrålens retning og følsom over for rotationer vinkelret på strålen.

Instrumentet kan bruges som en gyrokompass, fordi atomerne fornemmer rotation i planet, der tangentialer til jordens overflade. Rotationssignalerne, på grund af Jordens rotation, peg nordpå, som det er nyttigt i navigationen.