Esta imagen demuestra el control que tiene el equipo de Goddard-AOSense sobre los caminos de los átomos. En esta demostración, manipularon el camino para formar el acrónimo, NASA. Crédito:AOSense, C ª.
NASA y Sunnyvale, AOSense, con sede en California, C ª., han construido y demostrado con éxito un prototipo de sensor cuántico capaz de obtener mediciones de gravedad muy sensibles y precisas, un trampolín hacia la geodesia de próxima generación, hidrología, y misiones de vigilancia del clima en el espacio.
El sensor prototipo, desarrollado en colaboración con el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, emplea una técnica de medición revolucionaria llamada interferometría atómica, que el exsecretario del Departamento de Energía de Estados Unidos, Steven Chu, y sus colegas inventaron a fines de la década de 1980. En 1997, Chu recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo.
Desde el descubrimiento, investigadores de todo el mundo han intentado construir prácticas, compacto, sensores cuánticos más sensibles, como los interferómetros atómicos, que los científicos podrían utilizar en áreas con limitaciones de espacio, incluyendo naves espaciales.
Con fondos de la Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas de la NASA, Incubadora de instrumentos, y los programas de investigación y desarrollo internos de Goddard, El equipo de Goddard-AOSense desarrolló un gradiómetro de gravedad de óptica atómica principalmente para mapear el campo gravitacional variable en el tiempo de la Tierra. Aunque el campo gravitacional de la Tierra cambia por una variedad de razones, la causa más importante es un cambio en la masa de agua. Si un glaciar o una capa de hielo se derrite, esto afectaría la distribución de masa y por lo tanto el campo gravitacional de la Tierra
"Nuestro sensor es más pequeño que los sensores de la competencia con objetivos de sensibilidad similares, "dijo Babak Saif, un físico óptico de Goddard y colaborador en el esfuerzo. "Los instrumentos anteriores basados en interferómetro atómico incluían componentes que literalmente llenarían una habitación. Nuestro sensor, en comparación dramática, es compacto y eficiente. Podría usarse en una nave espacial para obtener un conjunto de datos extraordinarios para comprender el ciclo del agua de la Tierra y su respuesta al cambio climático. De hecho, el sensor es un candidato para futuras misiones de la NASA en una variedad de disciplinas científicas ".
La interferometría atómica funciona de forma muy similar a la interferometría óptica, una técnica de 200 años utilizada en la ciencia y la industria para medir pequeños desplazamientos en objetos. La interferometría óptica obtiene medidas comparando la luz que se ha dividido entre dos caminos diferentes. Cuando los rayos de estos dos caminos se recombinan, crean un patrón de franjas de interferencia que los científicos inspeccionan para obtener mediciones muy precisas.
El equipo de Goddard-AOSense construyó este gradiómetro de gravedad terrestre de prueba de concepto. Crédito:AOSense, C ª.
Interferometría de átomos, sin embargo, depende de la mecánica cuántica, la teoría que describe cómo se comporta la materia a escalas submicroscópicas. Átomos que son muy sensibles a las señales gravitacionales, también se puede engatusar para que se comporte como ondas de luz. Los láseres pulsátiles especiales pueden dividir y manipular las ondas atómicas para viajar por diferentes caminos. Las dos ondas atómicas interactuarán con la gravedad de una manera que afecta el patrón de interferencia producido una vez que las dos ondas se recombinan. Luego, los científicos pueden analizar este patrón para obtener una medida extraordinariamente precisa del campo gravitacional.
En particular, el equipo está considerando su sensor cuántico como una tecnología potencial para recopilar el tipo de datos producidos actualmente por la misión de seguimiento del Experimento climático y recuperación de gravedad (GRACE) de la NASA. GRACE-FO es una misión de dos satélites que ha generado mapas de gravedad mensuales que muestran cómo se distribuye la masa y cómo cambia con el tiempo. Debido a su extraordinaria precisión, el sensor cuántico podría eliminar la necesidad de un sistema de dos satélites o proporcionar una precisión aún mayor si se implementa en un segundo satélite en una órbita complementaria, dijo Lee Feinberg, un experto en óptica de Goddard también participó en el esfuerzo.
"Con esta nueva tecnología, podemos medir los cambios de la gravedad de la Tierra que provienen del derretimiento de los casquetes polares, sequías, y drenar los suministros de agua subterránea, mejorando enormemente la misión pionera GRACE, "dijo John Mather, un científico de Goddard y ganador del Premio Nobel de Física en 2006 por su trabajo en el Explorador de Antecedentes Cósmicos de la NASA que ayudó a cimentar la teoría del Big Bang del Universo.
El instrumento, sin embargo, podría utilizarse para responder a otras preguntas científicas.
"Podemos medir la estructura interior de los planetas, lunas asteroides, y cometas cuando enviamos sondas para visitarlos. La tecnología es tan poderosa que incluso puede extender las mediciones ganadoras del Nobel de ondas gravitacionales de agujeros negros distantes. observando en un nuevo rango de frecuencia, "Mather dijo, refiriéndose a la confirmación en 2015 de ondas gravitacionales cósmicas, literalmente, ondas en el tejido del espacio-tiempo que irradian en todas direcciones, muy parecido a lo que sucede cuando se arroja una piedra a un estanque. Desde esa confirmación inicial, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser y los detectores Virgo europeos han detectado otros eventos.
Desde el 2004, AOSense ha desarrollado sensores cuánticos y relojes atómicos, con amplia experiencia y capacidades que abarcan todos los aspectos del desarrollo y caracterización de sensores avanzados para una navegación y sincronización de precisión.
