Een probleem bij het omgaan met massavernietigingswapens is dat ze goed verborgen zijn. De sleutel tot het vinden ervan kan zijn om de methoden die we gebruiken om te kijken te veranderen. Een dergelijke methode krijgt vorm in een laboratorium in de kelder van Small Hall bij William &Mary.

"In principe, we maken het zodat je kunt zien wat je niet kunt zien, " zei Seth Aubin, universitair hoofddocent natuurkunde bij William &Mary.

Aubin heeft onlangs een subsidie ​​ontvangen van het Defense Threat Reduction Agency van het Amerikaanse ministerie van Defensie om een ​​nieuw type instrument te ontwikkelen dat verborgen infrastructuur voor massavernietigingswapens kan detecteren.

"Het bureau is vooral geïnteresseerd in het vinden van ondergrondse fabrieken of raketsilo's, dat soort dingen, "Aubin zei, "maar je zou het ook kunnen gebruiken om onderzeeërs te spotten of zelfs smokkeltunnels en grotten te vinden."

Om het onzichtbare te zien, Aubin zegt, we moeten eerst heroverwegen wat het betekent om te kijken. Het menselijk oog is ontworpen om licht te verwerken - of, als je het hebt over deeltjesfysica, fotonen. Als we naar iets verwijzen als "zichtbaar, "Aubin legt uit, het betekent meestal dat de fotonen die van dat ding afkaatsen, bewegen op een golflengte die onze ogen kunnen verwerken en daarom kunnen zien.

Maar wat zou er gebeuren als we onze interpretatie van 'zien' zouden veranderen om rekening te houden met iets anders dan licht? Aubin wil precies dat doen:vinden wat onzichtbaar is in termen van licht, maar zichtbaar in termen van massa.

Aubin en zijn team (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, doctoraat kandidaten Andrew Rotunno en Shuangli Du, en stafwetenschapper Doug Beringer) een apparaat ontwikkelen dat ultrakoude atomen gebruikt om vervormingen in het zwaartekrachtveld van de aarde te detecteren en te "zien" met behulp van materie in plaats van licht.

"Fotonen zijn niet zo gevoelig voor zwaartekracht, " zei Aubin. "Dingen die gevoelig zijn voor zwaartekracht zijn dingen die massa hebben. Hoe zwaarder het is, hoe gevoeliger het is en atomen zijn veel zwaarder dan fotonen."

Het idee is om het proces van optische interferometrie na te bootsen, een nauwkeurige manier om metingen uit te voeren door de constructieve en destructieve interferentie te bewaken die wordt veroorzaakt door golflengten van licht. Dit is hoe een wereldwijd team van wetenschappers, waaronder een aantal van William &Mary, voor het eerst zwaartekrachtgolven konden detecteren, een prestatie die de Nobelprijs waardig is.

"In principe, je neemt een lichtstraal en laat hem langs twee paden gaan, " zei Aubin. "Eén pad zal dichter bij iets zijn en zijn pad zal vervormd raken door de zwaartekracht. Als de stralen weer samenkomen, je leest het faseverschil af en het kan je veel vertellen over wat er is. We doen hetzelfde, behalve met atomen in plaats van fotonen."

Het is volkomen logisch als we onze comfortabele wereld van de Newtoniaanse fysica verlaten en het rijk van de kwantummechanica betreden, waar massa en energie uitwisselbaar zijn, en alle materie gedraagt ​​zich als een golf op atomair niveau.

"Het idee is om deze methode te gebruiken om het zwaartekrachtveld van de aarde met een waanzinnige precisie te meten, laten we zeggen deel per miljard, ' zei Aubin. 'Dat betekent dat je een getal meet dat negen cijfers lang is. Alle informatie staat in dat laatste cijfer. Dat laatste cijfer vertelt je de variatie in het zwaartekrachtveld. Wat ervoor zorgt dat het varieert, is massa, massa die ontbreekt, als een tunnel of een grot, of massa dat is extra, zoals olie of ijzer of uraniumerts."

Het blijkt dat als je waanzinnig precies wilt worden, je moet het eerst waanzinnig koud krijgen. Het lab gebruikt atomen die zijn afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer een microkelvin, het absolute nulpunt nadert, de laagst mogelijke temperatuur. In feite, de onderzoekers gebruiken het koudste object in het heelal, het Bose-Einstein-condensaat, om hun instrumenten te kalibreren.

"Een van de redenen waarom we zo koud worden, is omdat je niet op zoek hoeft te gaan naar de kwantummechanica, het komt op zoek naar jou, "Zei Aubin. "Materie begint zich te gedragen als een golf, of je het leuk vindt of niet."

Direct, het team werkt met superkoude rubidium- en kaliumatomen, die worden gekoeld met behulp van een reeks zorgvuldig geplaatste lasers. Bijna de helft van de labruimte is bestemd voor een tafel met lenzen, spiegels en andere optieken. Ze zijn allemaal gericht op het creëren van de perfecte laserstraal, die via glasvezelkabel naar een atoomzappend gebied wordt getransporteerd.

"Als je hier voor het eerst naar kijkt, het ziet eruit als een gigantische puinhoop, "Aubin zei, naast de optiektafel staan. "Het is niet rommelig, het is heel goed georganiseerd. Voor een groot deel van de elementen hier, als je ze 10 tot 100 micron verplaatst, niets zal werken."

Aubin vergelijkt laserlichtfotonen met sneeuwballen. Een sneeuwbal is van binnen koud, maar als het je kant op komt en tegen je huid smakt, het voelt warm aan. Dat komt omdat de sneeuwbal veel kinetische energie had. De fotonen in laserstralen hebben ook veel energie, en, als een sneeuwbal, zijn van binnen koud.

"Laserfotonen zijn erg energiek, dus als je niet slim bent over hoe je laserlicht omgaat met materiaal, het zal heet worden, "Aubin zei, "maar als je slim bent in hoe je ermee omgaat, je zult de kou van de fotonen eigenlijk op iets anders overdragen, in dit geval, onze atomen."

Als de atomen zijn afgekoeld, ze worden vastgehouden in een val voordat ze worden overgebracht naar een microchip van vierkante inch, die een magnetron magnetisch veld ondersteunt. Het veld zal werken om de atomen langs twee afzonderlijke paden te sturen voordat ze weer bij elkaar worden gebracht. waarna de onderzoekers de atomaire golflengten gaan meten voor constructieve of destructieve interferentie.

"De chip is waar alle fysica gebeurt, "Aubin zei, "maar om de fysica mogelijk te maken, je hebt een hele kamer met apparatuur nodig."

Tot dusver, het team heeft met succes de draairichting van twee atomen veranderd, maar ze moeten de atomen nog langs twee afzonderlijke paden sturen. Een groter dan verwachte leercurve kan gedeeltelijk de schuld zijn.

"Het blijkt dat microgolven een soort duistere kunst van elektrotechniek zijn, " zei Aubin. "Het is al moeilijk genoeg dat het niet eens aan natuurkundigen wordt geleerd, dus we leren onszelf gaandeweg microgolftechniek."

Een team van niet-gegradueerde studenten ontwerpt de microgolfcircuits om de chip van stroom te voorzien. Ze hebben het grootste deel van de fabricage in eigen huis moeten doen, Aubin zei, gebarend naar stapels elektronica verspreid over het lab.

"We bouwen de meeste dingen die we nodig hebben, "Zei Aubin. "Normaal gesproken kun je het niet kopen, omdat dit spul gewoon niet bestaat. Als je iets voor de eerste keer doet, je moet je eigen gereedschap uitvinden."