La gravimetría móvil es una técnica importante en metrología, navegación, geodesia y geofísica. Aunque los gravímetros atómicos se utilizan actualmente para la precisión, están limitados por la fragilidad y la complejidad instrumentales. En un nuevo estudio, Xuejian Wu y un equipo de investigación interdisciplinario en los departamentos de física, el Servicio Geológico de EE. UU., biofísica molecular y bioimagen integrada, demostró un gravímetro atómico móvil. El dispositivo midió las variaciones de la gravedad de las mareas en el laboratorio y examinó la gravedad en el campo.

Utilizaron el equipo para lograr una alta sensibilidad para las mediciones de la gravedad de las mareas con estabilidad a largo plazo para revelar los efectos de la carga de las mareas en el océano. así como varios terremotos distantes. El equipo de investigación examinó la gravedad en Berkeley Hills para determinar la densidad de las rocas subterráneas a partir del gradiente de gravedad vertical. El instrumento simple y sensible desarrollado en el estudio allanará el camino para llevar gravímetros atómicos a aplicaciones de campo. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Los físicos suelen utilizar interferómetros de átomos de pulso de luz para medir las fuerzas de inercia junto con estudios para comprender las fuerzas subgravitacionales en los átomos. Los gravímetros basados ​​en interferometría de átomos se encuentran entre las herramientas más precisas y sensibles para medir con precisión la gravedad. a diferencia de los instrumentos existentes basados ​​en resortes, bobinas superconductoras, dispositivos micromecánicos o cubos de esquina que caen. Los gravímetros atómicos se basan en mediciones de interferometría de ondas de materia con una nube atómica en caída libre. En su mecanismo de acción, los científicos pueden dirigir las ondas de materia hacia dos brazos de interferómetro utilizando el impulso de los fotones que están extremadamente bien definidos por la longitud de onda del láser integrado.

Actualmente, los investigadores están diseñando gravímetros atómicos transportables para aplicaciones en metrología, detección aérea, encuestas a bordo y aplicaciones de campo. Estos instrumentos suelen alcanzar sensibilidades de entre 5 y 100 µGalileo (µGal) en el laboratorio, mientras que el gravímetro atómico en los estudios de gravedad solo había logrado una precisión aproximada de 1 mGal en un barco marino. Por lo tanto, la gravimetría móvil precisa es valiosa para mediciones de gravedad con una incertidumbre de unos pocos microGalileos en metrología. Por ejemplo, para ayudar a la navegación marina inercial, Los mapas de referencia de gravedad requieren gravímetros con una precisión mínima de miliGalileo a bordo. Como resultado, Los gravímetros atómicos deben ser sensibles y móviles para aplicaciones confiables en el campo.

En el presente trabajo, Wu y col. demostró un gravímetro atómico móvil en el laboratorio y durante las operaciones de campo. El equipo de investigación comparó la gravedad medida en los experimentos con un modelo de mareas terrestres sólidas para indicar su sensibilidad atómica. Basado en la sensibilidad instrumental Wu et al. observaron los efectos de la carga de las mareas del océano y midieron las ondas sísmicas de terremotos distantes. Luego, el equipo de investigación implementó estudios de gravedad en Berkeley Hills utilizando el instrumento. El gravímetro atómico se puede utilizar para estudios geodésicos y geofísicos para refinar el geoide durante la exploración de recursos. estudios hidrológicos y monitoreo de peligros para mediciones de campo precisas en el futuro.

Wu y col. diseñó el gravímetro atómico móvil en un interferómetro atómico con una trampa magnetoóptica (MOT) dentro de un espejo piramidal con un orificio pasante. Esta nueva geometría ofrecía muchas ventajas; formando primero una etapa de bombeo diferencial entre la MOT y las regiones de interferometría del átomo, con una relación de presión de vapor de más de 10:1 para acelerar la velocidad de carga de los átomos y reducir el ruido de fondo para la detección de átomos. La configuración permitió que los rayos láser MOT e interferómetro tuvieran cinturas diferentes para lograr un gran volumen MOT y una alta intensidad del rayo Raman con la potencia del láser disponible. Como tercera característica, el equipo de investigación permitió al gravímetro atómico aprovechar la retrorreflexión de un espejo aislado de vibraciones insensible a las vibraciones del espejo piramidal. El aislamiento de vibraciones fue más simple y efectivo en comparación con los gravímetros atómicos piramidales tradicionales. Para su cuarta característica, Wu y col. utilizó un espejo plano como retrorreflector para eliminar los efectos sistemáticos de las imperfecciones en la configuración piramidal.

El equipo realizó interferometría atómica debajo del espejo piramidal utilizando transiciones Raman de dos fotones sensibles a Doppler impulsadas por dos rayos láser y una geometría Mach-Zehnder. Dado que los átomos se movieron en caída libre, los científicos aumentaron la diferencia de frecuencia del láser entre los dos rayos con una tasa de α, que variaron para obtener aceleración en el sistema. Utilizaron un láser de diodo único con tres moduladores acústico-ópticos (AOM) y un modulador de fase electro-óptica (EOM) basado en fibra, para generar todos los rayos láser necesarios para la MOT, durante los procedimientos de interferometría y detección del estudio.

Los científicos midieron la variación de la gravedad de las mareas a largo plazo durante 12 días utilizando el gravímetro atómico. Luego operaron el interferómetro atómico con aislamiento de vibración activo y obtuvieron valores medios de los datos de gravedad cada 2 horas. en comparación con un modelo de mareas de la Tierra sólida. Dado que el laboratorio de investigación estaba ubicado a unos 4,5 km al este del área de la Bahía de San Francisco, el efecto de la carga de las mareas oceánicas sobre la gravedad fue notable en la ubicación precisa en contraste con informes anteriores. Los investigadores corrigieron la marea sólida de la Tierra y obtuvieron una sensibilidad de 37 µGal / √Hz para el gravímetro atómico con una estabilidad superior a 2 µGal en media hora. Durante las mediciones de la gravedad de las mareas, el gravímetro atómico podría registrar trenes de ondas sísmicas de varios terremotos distantes para medir la aceleración vertical de las ondas sísmicas. Wu y col. comparó el gravímetro atómico con uno de los sismómetros de la Red Sísmica Digital de Berkeley. Por ejemplo, cuando un terremoto de magnitud 6,8 ​​y 570 km de profundidad ocurrió en Brasil el 5 de enero, 2019, tanto el gravímetro atómico como el sismómetro detectaron ondas corporales del terremoto después de unos 20 minutos. El equipo de Berkeley detectó mediciones de manera similar el 6 de enero de 2019, cuando ocurrió un terremoto de 6,6 grados de magnitud y 43 km de profundidad en Indonesia.

Para investigar la precisión del gravímetro atómico, el equipo de investigación estimó los efectos sistemáticos. Calcularon el error sistemático total en 0.015 mGal con un sesgo de medición aproximado a -0.008 mGal. Los investigadores verificaron la repetibilidad del experimento internamente después de transportar el gravímetro atómico al Campbell Hall en el campus de Berkeley de la Universidad de California. para medir la gravedad en diferentes pisos, con gravedad en el piso del sótano como referencia. Los valores coincidieron con los calculados utilizando técnicas estándar de levantamiento gravitacional. Dependiendo del ruido vibratorio, el gravímetro atómico alcanzó una sensibilidad de alrededor de 0,2 mGal / √Hz. Sin embargo, la sensibilidad en los pisos más altos disminuyó debido a vibraciones más fuertes. Los resultados indicaron el efecto gravitacional de la masa del edificio Campbell.

Después de eso, el equipo utilizó el gravímetro atómico en el campo para estudiar la gravedad absoluta en Berkeley Hills. Operaron el gravímetro dentro de un vehículo en una longitud de ruta de 7,6 km y un cambio de elevación de 400 m, mientras utiliza aislamiento de vibración pasiva para medir la gravedad en 6 ubicaciones. El equipo dedicó aproximadamente 15 minutos a configurar el gravímetro en cada ubicación, que incluía emparejar el instrumento y alinear el haz del interferómetro con el eje de gravedad. Debido al aumento del ruido vibratorio en el campo, Wu y col. midió la sensibilidad del gravímetro a 0,5 mGal // √Hz. En total, las mediciones mostraron cambios de gravedad aproximados de 92,6 mGal, desde la base hasta la cima de Berkeley Hills.

De este modo, Xuejian Wu y sus colegas desarrollaron un gravímetro atómico móvil para realizar mediciones de gravedad de las mareas y estudios de gravedad. El novedoso instrumento MOT piramidal aprovechó la interferometría atómica de haz único para ofrecer una alineación simple del láser a la gravedad y un aislamiento de vibración mejorado. El dispositivo es móvil compacto y robusto para el transporte en el campo, manteniendo una sensibilidad comparativamente mayor a los gravímetros atómicos existentes. Las características permiten aplicaciones geodésicas y geofísicas para una gravimetría móvil precisa en el laboratorio y en el campo. Actualmente, el instrumento está limitado por el ruido vibratorio con margen de mejora. Los gravímetros avanzados encontrarán aplicaciones adicionales como detectores de túneles, sensores para almacenamiento de agua subterránea y monitoreo de terremotos y actividad volcánica.

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