NASA e o Sunnyvale, AOSense com sede na Califórnia, Inc., construíram e demonstraram com sucesso um protótipo de sensor quântico capaz de obter medições de gravidade altamente sensíveis e precisas - um trampolim para a geodésia de próxima geração, hidrologia, e missões de monitoramento do clima no espaço.

O sensor de protótipo, desenvolvido em colaboração com Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, emprega uma técnica de medição revolucionária chamada interferometria atômica, que o ex-secretário do Departamento de Energia dos EUA Steven Chu e seus colegas inventaram no final dos anos 1980. Em 1997, Chu recebeu o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho.

Desde a descoberta, pesquisadores em todo o mundo têm tentado construir práticas, compactar, sensores quânticos mais sensíveis, como interferômetros de átomo, que os cientistas podem usar em áreas com restrição de espaço, incluindo nave espacial.

Com financiamento da Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas da NASA, Incubadora de instrumentos, e os programas internos de pesquisa e desenvolvimento de Goddard, a equipe Goddard-AOSense desenvolveu um gradiômetro de gravidade de ótica atômica principalmente para mapear o campo gravitacional variável no tempo da Terra. Embora o campo gravitacional da Terra mude por uma variedade de razões, a causa mais significativa é uma mudança na massa de água. Se uma geleira ou manto de gelo derreter, isso afetaria a distribuição de massa e, portanto, o campo gravitacional da Terra

"Nosso sensor é menor do que sensores concorrentes com objetivos de sensibilidade semelhantes, "disse Babak Saif, físico óptico de Goddard e colaborador no esforço. "Os instrumentos anteriores baseados em interferômetro de átomo incluíam componentes que literalmente enchiam uma sala. Nosso sensor, em comparação dramática, é compacto e eficiente. Ele poderia ser usado em uma espaçonave para obter um conjunto de dados extraordinário para a compreensão do ciclo da água da Terra e sua resposta às mudanças climáticas. Na verdade, o sensor é um candidato para futuras missões da NASA em uma variedade de disciplinas científicas. "

A interferometria atômica funciona de maneira muito semelhante à interferometria óptica, uma técnica de 200 anos usada na ciência e na indústria para medir pequenos deslocamentos em objetos. A interferometria óptica obtém medições comparando a luz que foi dividida entre dois caminhos diferentes. Quando os feixes desses dois caminhos se recombinam, eles criam um padrão de franja de interferência que os cientistas inspecionam para obter medições altamente precisas.

Interferometria atômica, Contudo, depende da mecânica quântica, a teoria que descreve como a matéria se comporta em escalas submicroscópicas. Átomos, que são altamente sensíveis a sinais gravitacionais, também pode ser persuadido a se comportar como ondas de luz. Lasers pulsantes especiais podem dividir e manipular ondas atômicas para percorrer caminhos diferentes. As duas ondas atômicas irão interagir com a gravidade de uma forma que afeta o padrão de interferência produzido quando as duas ondas se recombinam. Os cientistas podem então analisar esse padrão para obter uma medida extraordinariamente precisa do campo gravitacional.

Em particular, a equipe está examinando seu sensor quântico como uma tecnologia potencial para reunir o tipo de dados atualmente produzidos pela missão de acompanhamento do Experimento de Recuperação de Gravidade e Clima (GRACE) da NASA. GRACE-FO é uma missão de dois satélites que gerou mapas gravimétricos mensais mostrando como a massa é distribuída e como ela muda ao longo do tempo. Devido à sua extraordinária precisão, o sensor quântico poderia eliminar a necessidade de um sistema de dois satélites ou fornecer uma precisão ainda maior se implantado em um segundo satélite em uma órbita complementar, disse Lee Feinberg, um especialista em óptica de Goddard também envolvido no esforço.

"Com esta nova tecnologia, podemos medir as mudanças da gravidade da Terra que vêm do derretimento das calotas polares, secas, e drenando o abastecimento de água subterrânea, melhorando muito a missão pioneira GRACE, "disse John Mather, um cientista Goddard e vencedor do Prêmio Nobel de Física em 2006 por seu trabalho no Cosmic Background Explorer da NASA, que ajudou a cimentar a teoria do big bang do universo.

O instrumento, Contudo, pode ser usado para responder a outras questões científicas.

"Podemos medir a estrutura interna dos planetas, luas, asteróides, e cometas quando enviamos sondas para visitá-los. A tecnologia é tão poderosa que pode até mesmo estender as medições ganhadoras do Nobel de ondas gravitacionais de buracos negros distantes, observando em uma nova faixa de frequência, "Mather disse, referindo-se à confirmação em 2015 de ondas gravitacionais cósmicas - literalmente, ondulações na estrutura do espaço-tempo que se irradiam em todas as direções, muito parecido com o que acontece quando uma pedra é jogada em um lago. Desde aquela confirmação inicial, o Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory e os detectores europeus de Virgo detectaram outros eventos.

Desde 2004, A AOSense desenvolveu sensores quânticos e relógios atômicos, com ampla experiência e recursos abrangendo todos os aspectos de desenvolvimento e caracterização de sensores avançados para navegação e cronometragem de precisão.