Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han actualizado su giroscopio atómico compacto para permitir capacidades de medición multitarea y medir su rendimiento. pasos importantes hacia aplicaciones prácticas.

Descrito en un nuevo artículo, el diseño del giroscopio cuántico y los procesos de evaluación fueron dirigidos por tres mujeres, una situación muy inusual en física y un motivo de orgullo para la líder del proyecto Elizabeth Donley en NIST. Los investigadores posdoctorales Yun-Jhih Chen y Azure Hansen reconstruyeron totalmente el aparato durante los últimos dos años.

"No solo construimos un simple giroscopio cuántico, pero esta es la primera vez que alguien ha demostrado la medición simultánea de la rotación, ángulo de rotación y aceleración con una sola fuente de átomos, "Dijo Donley." Otros giroscopios, incluidos los clásicos que se utilizan actualmente en teléfonos y aviones, puede medir solo un eje de rotación. Esta es también la primera vez que informamos una sensibilidad para las mediciones de aceleración y rotación ".

El equipo del NIST midió previamente la rotación con una versión anterior del giroscopio cuántico. El aparato se actualizó para aumentar la intensidad de la señal y la velocidad de adquisición de datos para permitir mediciones de sensibilidad competitivas. Los investigadores también agregaron un algoritmo de reconocimiento de patrones derivado del aprendizaje automático para extraer información automáticamente de las imágenes de los átomos.

El giroscopio NIST es un interferómetro atómico, aprovechando el hecho de que los átomos pueden actuar tanto como partículas como como ondas. La rotación y la aceleración se deducen de imágenes de ondas de materia interferentes (que muestran la probabilidad de la posición de una partícula en el espacio) de átomos en dos estados de energía diferentes.

Los interferómetros atómicos podrían usarse en navegación y geodesia (el estudio de la forma de la Tierra basado en mediciones de la gravedad) debido a su sensibilidad a la aceleración y rotación combinada con su estabilidad y precisión a largo plazo. El desarrollo de pequeños, ligero, Los interferómetros de átomos de baja potencia son clave para trasladar los instrumentos fuera del laboratorio a aplicaciones en el campo.

El equipo de NIST desarrolló un esquema simplificado apto para aplicaciones portátiles usando un solo, diminuta nube de átomos que cae solo unos pocos milímetros durante las mediciones. Una cámara de vidrio de solo 1 centímetro cúbico de volumen contiene aproximadamente 10 millones de átomos de rubidio fríos que quedan atrapados y liberados.

En la actualidad, se requiere una mesa de óptica de tamaño completo para los láseres, y también se necesitan algunos racks de electrónica. La configuración del láser debería hacerse más compacta e integrada antes de que el giroscopio pueda usarse en el campo. Dijo Donley. Otros grupos de investigación están reduciendo el tamaño de estos sistemas láser, ella añadió.

Las sensibilidades del giroscopio NIST para la magnitud y la dirección de las mediciones de rotación son 0.033 grados por segundo y 0.27 grados con un tiempo promedio de un segundo, respectivamente. Estos resultados se acercan a los niveles de sensibilidad alcanzados por otros grupos de investigación que utilizan interferómetros de átomos mucho más grandes. Dijo Donley. Es más, El giroscopio NIST es único porque puede medir rotaciones a lo largo de dos ejes y una aceleración a lo largo de un eje simultáneamente con una sola fuente de átomos.

En el giroscopio NIST, cuando los átomos quedan atrapados por primera vez en una nube y luego se liberan para caer bajo la gravedad, un rayo láser hace que cambien entre dos estados de energía. Este proceso implica la absorción y emisión de partículas ligeras, lo que da impulso a los átomos y hace que sus ondas de materia se separen y luego se recombinen para interferir. Cuando los átomos se aceleran o giran, sus ondas de materia cambian e interfieren de manera predecible, visible en imágenes de la nube expandida.

Las imágenes de los átomos brillan un segundo, rayo láser débil a través de la nube. Debido a que los átomos en diferentes estados de energía absorben luz de diferentes frecuencias, las imágenes muestran bandas de interferencia de poblaciones de átomos en los dos estados diferentes. La velocidad de rotación y el eje de rotación se miden analizando el espaciado y la dirección de las bandas de interferencia a través de la nube de átomos. La aceleración se mide a partir de cambios en la posición de la banda central. El interferómetro es sensible a la aceleración a lo largo de la dirección del rayo láser y sensible a las rotaciones perpendiculares al rayo.

El instrumento se puede utilizar como brújula giratoria, porque los átomos sienten la rotación en el plano tangencial a la superficie de la Tierra. Las señales de rotación, debido a la rotación de la Tierra, punto al norte, como es útil en la navegación.