Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben hun compacte atomaire gyroscoop geüpgraded om multitasking-meetmogelijkheden mogelijk te maken en de prestaties ervan te meten, belangrijke stappen richting praktische toepassingen.

In een nieuw artikel beschreven, het ontwerp en de evaluatieprocessen van de kwantumgyroscoop werden geleid door drie vrouwen - een hoogst ongebruikelijke situatie in de natuurkunde en een bron van trots voor projectleider Elizabeth Donley bij NIST. Postdoctoraal onderzoekers Yun-Jhih Chen en Azure Hansen hebben het apparaat de afgelopen jaren volledig opnieuw opgebouwd.

"We hebben niet alleen een eenvoudige kwantumgyroscoop gebouwd, maar dit is de eerste keer dat iemand gelijktijdige meting van rotatie heeft aangetoond, rotatiehoek en versnelling met een enkele bron van atomen, ' zei Donley. 'Andere gyroscopen, inclusief de klassieke die momenteel in telefoons en vliegtuigen worden gebruikt, kan slechts één rotatie-as meten. Dit is ook de eerste keer dat we een gevoeligheid rapporteren voor de acceleratie- en rotatiemetingen."

Het NIST-team heeft eerder rotatie gemeten met een eerdere versie van de kwantumgyroscoop. Het apparaat werd geüpgraded om de signaalsterkte en data-acquisitiesnelheid te verhogen om competitieve gevoeligheidsmetingen mogelijk te maken. Onderzoekers hebben ook een patroonherkenningsalgoritme toegevoegd dat is afgeleid van machine learning om automatisch informatie uit afbeeldingen van de atomen te extraheren.

De NIST-gyroscoop is een atoominterferometer, profiteren van het feit dat atomen zowel als deeltjes als als golven kunnen fungeren. Rotatie en versnelling worden afgeleid uit afbeeldingen van interfererende materiegolven (die de waarschijnlijkheid van de positie van een deeltje in de ruimte laten zien) van atomen in twee verschillende energietoestanden.

Atom-interferometers kunnen worden gebruikt in navigatie en geodesie (de studie van de vorm van de aarde op basis van zwaartekrachtmetingen) vanwege hun gevoeligheid voor versnelling en rotatie in combinatie met hun stabiliteit en nauwkeurigheid op lange termijn. De ontwikkeling van kleine, lichtgewicht, laagvermogen atoominterferometers is de sleutel tot het verplaatsen van de instrumenten uit het laboratorium naar toepassingen in het veld.

Het NIST-team ontwikkelde een vereenvoudigd schema dat geschikt is voor draagbare toepassingen met behulp van een enkele, kleine wolk van atomen die tijdens de metingen slechts enkele millimeters wegvalt. Een glazen kamer met een volume van slechts 1 kubieke centimeter bevat ongeveer 10 miljoen koude rubidium-atomen die worden gevangen en vrijgelaten.

Momenteel, voor de lasers is een full-size optiektafel vereist, en er zijn ook een paar rekken met elektronica nodig. De laseropstelling zou compacter en geïntegreerd moeten worden voordat de gyroscoop in het veld kan worden gebruikt, zei Donley. Andere onderzoeksgroepen verkleinen deze lasersystemen, voegde ze eraan toe.

De gevoeligheden van de NIST-gyroscoop voor de grootte en richting van de rotatiemetingen zijn 0,033 graden per seconde en 0,27 graden met een gemiddelde tijd van één seconde, respectievelijk. Deze resultaten benaderen de gevoeligheidsniveaus van andere onderzoeksgroepen die veel grotere atoominterferometers gebruiken, zei Donley. Bovendien, de NIST-gyroscoop is uniek omdat hij rotaties langs twee assen en een versnelling langs één as gelijktijdig met een enkele bron van atomen kan meten.

In de NIST-gyroscoop, wanneer de atomen eerst worden opgesloten in een wolk en vervolgens worden vrijgegeven om onder de zwaartekracht te vallen, een laserstraal zorgt ervoor dat ze overgaan tussen twee energietoestanden. Dit proces omvat absorptie en emissie van lichtdeeltjes, die de atomen momentum geeft en ervoor zorgt dat hun materiegolven zich scheiden en later recombineren om te interfereren. Wanneer de atomen versnellen of roteren, hun materiegolven verschuiven en interfereren op voorspelbare manieren, zichtbaar in afbeeldingen van de uitgebreide cloud.

De atomen worden afgebeeld door een seconde te schijnen, zwakke laserstraal door de wolk. Omdat atomen in verschillende energietoestanden licht van verschillende frequenties absorberen, de afbeeldingen tonen interferentiebanden van atoompopulaties in de twee verschillende staten. De rotatiesnelheid en rotatie-as worden gemeten door de afstand en richting van de interferentiebanden over de atoomwolk te analyseren. Versnelling wordt gemeten aan de hand van veranderingen in de positie van de centrale band. De interferometer is gevoelig voor versnelling langs de richting van de laserstraal en gevoelig voor rotaties loodrecht op de straal.

Het instrument kan worden gebruikt als een gyrokompas, omdat de atomen rotatie waarnemen in het vlak dat raakt aan het aardoppervlak. De rotatiesignalen, door de draaiing van de aarde, punt naar het noorden, zoals handig bij navigatie.