Första användningen av Atom Interferometer för att mäta flygplansacceleration

Materia har den häpnadsväckande förmågan att bete sig som vågor såväl som partiklar, men det har tagit fysiker lite tid att utnyttja denna effekt. Under de senaste åren har dock olika grupper runt om i världen fulländat konsten att göra laserliknande strålar av atomer och tillåta dem att interferera för att generera interferensmönster.

Så kallade atominterferometrar har enorm potential. Eftersom våglängden för atomer och molekyler kan vara mindre än ljusets, kan interferometrarna vara mycket mer exakta.

Dessutom, till skillnad från ljus, påverkas atomer av jordens gravitation, vilket möjliggör mätningar av denna kraft med oöverträffad noggrannhet. Detta görs antingen i speciella underjordiska laboratorier där enheterna kan isoleras från påverkan utifrån eller i experiment med fritt fall, där enheterna kan uppleva en kort period på 0g.

Men det finns en annan sak som atominterferometrar borde kunna göra: mäta acceleration. I teorin har dessa enheter potential att fungera som accelerometrar som är minst lika känsliga som moderna tröghetsnavigeringssystem. Och de borde också vara mer robusta, inte minst eftersom de inte fungerar utan (konventionella) rörliga delar.

Men det finns ett problem. Atominterferometrar är så känsliga att den minsta vibration överväldigar resultaten. Och det uteslöt dem som användbara tröghetssensorer.

Tills nu. Idag har Remi Geiger på Laboratoire Charles Fabry i Paris och en grupp amis byggt den första atominterferometern som kan mäta ett flygplans rörelser. De har till och med testat sin enhet i en Airbus A300 och sagt att den kan mäta accelerationer 300 gånger mindre än flygplanets rörelser.

Tricket som dessa killar har fulländat är ett sätt att ta bort effekterna av stora vibrationer som annars skulle överväldiga deras mätningar. Detta gör de med mekaniska accelerometrar kopplade till deras kit, som registrerar flygplanets storskaliga rörelser.

De tar sedan helt enkelt dessa mätningar bort från accelerationen som mäts av atominterferometern. Detta avslöjar de mycket små variationerna som mäts av atominterferometern.

Vårt instrument består av en hybridsensor som kan mäta stora accelerationer tack vare de mekaniska enheterna, och som kan nå en hög upplösning tack vare atomaccelerometern, säger Geiger och co.

Det kan ha en betydande inverkan på navigationssystem eftersom denna typ av noggrannhet kan hjälpa till att korrigera de fel som smyger sig in på konventionella tröghetsnavigeringssystem.

Men tekniken kan också hjälpa till på andra områden, som geodesi och gravimetri, som mäter små förändringar i jordens gravitationsfält.

Det kan också göra grundläggande fysikexperiment i mikrogravitation lättare. Ett viktigt experiment är att sätta gränser för en princip som kallas Universality of Free Fall eller den svaga ekvivalensprincipen. Detta är tanken att alla kroppar faller i samma takt, oavsett deras inre struktur.

Fysiker har mätt detta till en del av 10^13 men vissa teorier förutspår att mer exakta mätningar bör avslöja en avvikelse. Med andra ord bör en kropps inre struktur påverka hur den faller under gravitationen, men bara i en liten mängd.

Fram till nu har alla experiment för att mäta detta i mikrogravitation använt två olika atominterferometrar för att eliminera bruset. I själva verket mäter de skillnaden i hur två olika atomer faller. Men den här typen av relativ mätning är inte idealisk.

Den nya tekniken kommer att ge fysiker ett sätt att mäta accelerationen av en enskild typ av atom direkt, en teknik som kan leda till mätningar av en del i 10^15 i rymdbaserade experiment.

Och eftersom Europeiska rymdorganisationen har valt just ett sådant test för sin nästa generation av experiment som kallas Cosmic Vision 2020-22, kan vi kanske bara se en version av detta i omloppsbana då.

Ref: arxiv.org/abs/1109.5905 : Upptäcka tröghetseffekter med luftburen materia-våginterferometri

Dölj