Brug af ultrakolde atomer til at finde masseødelæggelsesvåben

Et problem i forbindelse med masseødelæggelsesvåben er, at de er godt skjult. Nøglen til at finde dem kan være at ændre de metoder, vi bruger til at se. En sådan metode tager form i et laboratorium i kælderen i Small Hall hos William &Mary.

"I bund og grund, vi laver det, så du kan se det, du ikke kan se, " sagde Seth Aubin, lektor i fysik ved William &Mary.

Aubin modtog for nylig en bevilling fra det amerikanske forsvarsministeriums Defense Threat Reduction Agency til at udvikle en ny type instrument, der er i stand til at opdage skjult infrastruktur til masseødelæggelsesvåben.

"Agenturet er særligt interesseret i at finde underjordiske fabrikker eller missilsiloer, ting som, " sagde Aubin, "men du kan også bruge den til at spotte ubåde eller endda finde smuglertunneler og huler."

For at se det usynlige, Aubin siger, vi må først genoverveje, hvad det vil sige at se ud. Det menneskelige øje er designet til at behandle lys – eller, når du taler partikelfysik, fotoner. Når vi omtaler noget som "synligt, Aubin forklarer, det betyder typisk, at fotoner, der hopper af den ting, bevæger sig ved en bølgelængde, vores øjne kan behandle og derfor se.

Men hvad ville der ske, hvis vi ændrede vores fortolkning af "se" for at tage højde for noget andet end lys? Aubin sigter mod at gøre netop det:finde det, der er usynligt med hensyn til lys, men synlig med hensyn til masse.

Aubin og hans team (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, Ph.d. kandidaterne Andrew Rotunno og Shuangli Du, og stabsforsker Doug Beringer) udvikler en enhed, der bruger ultrakolde atomer til at spotte forvrængninger i Jordens gravitationsfelt og "se" ved at bruge stof i stedet for lys.

"Fotoner er ikke så følsomme over for tyngdekraften, "Aubin sagde." Ting, der er følsomme over for tyngdekraften, er ting, der har masse. Jo tungere det er, jo mere følsom det er, og atomer er meget tungere end fotoner. "

Ideen er at efterligne processen med optisk interferometri, en præcis måde at foretage målinger ved at overvåge den konstruktive og destruktive interferens, der produceres af lysets bølgelængder. Sådan er et globalt team af forskere, herunder flere fra William &Mary, var i stand til at registrere gravitationsbølger for første gang, en præstation, der er Nobelprisen værdig.

"I bund og grund, du tager en lysstråle og får den til at gå ad to stier, " sagde Aubin. "En vej vil være tættere på noget, og dens vej vil blive forvrænget af tyngdekraften. Når bjælkerne rekombinerer, du læser faseforskellen op, og det kan fortælle dig meget om, hvad der er derude. Vi gør det samme, undtagen med atomer i stedet for fotoner. "

Det giver perfekt mening, hvis vi forlader vores komfortable verden af ​​newtonsk fysik og træder ind i kvantemekanikkens rige, hvor masse og energi er udskiftelige, og alt stof opfører sig som en bølge på atomniveau.

"Ideen er at bruge denne metode til at måle Jordens tyngdefelt til en vanvittig præcision, lad os sige part per milliard, " sagde Aubin. "Det betyder, at du måler et tal, der er ni cifre langt. Alle oplysninger er i det sidste ciffer. Det sidste ciffer fortæller dig variationen i gravitationsfeltet. Det der får det til at variere er massen, masse, der mangler, som en tunnel eller en hule, eller masse, der er ekstra, som olie eller jern eller uranmalm."

Det viser sig, at hvis du vil blive vanvittig præcis, du skal først blive sindssygt kold. Laboratoriet bruger atomer afkølet til omkring en mikrokelvin temperatur, nærmer sig det absolutte nul, den lavest mulige temperatur teoretisk. Faktisk, forskerne bruger det koldeste objekt i universet, Bose-Einstein kondensat, at kalibrere deres instrumenter.

"En af grundene til, at vi bliver så kolde, er fordi du ikke behøver at lede efter kvantemekanikken, den kommer og leder efter dig, " sagde Aubin. "Materien begynder at opføre sig som en bølge, om du kan lide det eller ej."

Lige nu, holdet arbejder med superkolde rubidium- og kaliumatomer, som afkøles ved hjælp af en række omhyggeligt placerede lasere. Næsten halvdelen af ​​laboratoriepladsen er dedikeret til et bord med linser, spejle og anden optik. De er alle orienteret efter at skabe den perfekte laserstråle, som transporteres til et atom-zapping-område via fiberoptisk kabel.

"Når du først ser på dette, det ligner et gigantisk rod, " sagde Aubin, stående ved siden af ​​det optiske bord. "Det er ikke rodet, det er meget godt organiseret. For en stor del af grundstofferne her, hvis du flytter dem 10 til 100 mikron, intet vil virke."

Aubin sammenligner laserlysfotoner med snebolde. En snebold er internt kold, men når det er lobbet din vej og smadder mod din hud, det føles varmt. Det er fordi snebolden havde en masse kinetisk energi. Fotonerne i laserstråler har også en masse energi, og, som en snebold, er indvendigt kolde.

"Laserfotoner er meget energiske, så hvis du ikke er klog på, hvordan du interagerer laserlys med materiale, det bliver varmt, " sagde Aubin, "men hvis du er klog på, hvordan du interagerer det, du vil faktisk overføre fotonernes kulde til noget andet, I dette tilfælde, vores atomer."

Når atomerne er afkølet, de holdes i en fælde, før de overføres til en kvadrat-tommer mikrochip, som understøtter et mikrobølgemagnetfelt. Feltet vil arbejde for at sende atomerne ad to separate stier, før de bringes sammen igen, hvorefter forskerne vil måle atombølgelængderne for konstruktiv eller destruktiv interferens.

"Chippen er der, hvor al fysikken sker, "Aubin sagde, "men for at få fysikken til at ske, du har brug for et helt rum med udstyr."

Indtil nu, holdet har med succes ændret spinretningen af ​​to atomer, men de har endnu ikke sendt atomerne ad to separate veje. En større end forventet indlæringskurve kan til dels være skylden.

"Det viser sig, at mikrobølger er en slags elektrotekniks mørke kunst, "Sagde Aubin." Det er svært nok, at det ikke engang er lært til fysikere, så vi lærer os selv mikrobølgeteknik, mens vi går."

Et team af bachelorstuderende designer mikrobølge kredsløb til at drive chippen. De har været nødt til at lave det meste af fabrikationen in-house, Aubin sagde, gestikulerer til stakke af elektronik spredt rundt i laboratoriet.

"Vi bygger det meste af det, vi har brug for, " sagde Aubin. "Du kan typisk ikke købe det, fordi disse ting bare ikke eksisterer. Hvis du laver noget for første gang, du er nødt til at opfinde dine egne værktøjer."