Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) atualizaram seu giroscópio atômico compacto para permitir capacidades de medição multitarefa e medir seu desempenho, passos importantes para aplicações práticas.

Descrito em um novo artigo, o projeto do giroscópio quântico e os processos de avaliação foram liderados por três mulheres - uma situação altamente incomum na física e uma fonte de orgulho para a líder do projeto Elizabeth Donley no NIST. Os pesquisadores de pós-doutorado Yun-Jhih Chen e Azure Hansen reconstruíram totalmente o aparelho nos últimos dois anos.

"Não apenas construímos um giroscópio quântico simples, mas esta é a primeira vez que alguém demonstra medição simultânea de rotação, ângulo de rotação e aceleração com uma única fonte de átomos, "Donley disse." Outros giroscópios, incluindo os clássicos usados ​​atualmente em telefones e aviões, pode medir apenas um eixo de rotação. Esta também é a primeira vez que relatamos uma sensibilidade para as medições de aceleração e rotação. "

A equipe do NIST mediu anteriormente a rotação com uma versão anterior do giroscópio quântico. O aparelho foi atualizado para aumentar a intensidade do sinal e a velocidade de aquisição de dados para permitir medições de sensibilidade competitiva. Os pesquisadores também adicionaram um algoritmo de reconhecimento de padrões derivado do aprendizado de máquina para extrair automaticamente informações de imagens dos átomos.

O giroscópio NIST é um interferômetro de átomo, aproveitando o fato de que os átomos podem atuar tanto como partículas quanto como ondas. A rotação e a aceleração são deduzidas de imagens de ondas de matéria interferentes (que mostram a probabilidade da posição de uma partícula no espaço) de átomos em dois estados de energia diferentes.

Os interferômetros atômicos podem ser usados ​​em navegação e geodésia (o estudo da forma da Terra com base em medições de gravidade) por causa de sua sensibilidade à aceleração e rotação combinada com sua estabilidade e precisão de longo prazo. O desenvolvimento de pequenos, leve, Os interferômetros de átomo de baixa potência são a chave para mover os instrumentos do laboratório para aplicações no campo.

A equipe do NIST desenvolveu um esquema simplificado acessível a aplicativos portáteis usando um único, minúscula nuvem de átomos que cai apenas alguns milímetros durante as medições. Uma câmara de vidro de apenas 1 centímetro cúbico de volume contém cerca de 10 milhões de átomos de rubídio frio que são aprisionados e liberados.

Atualmente, uma mesa óptica de tamanho completo é necessária para os lasers, e alguns racks de eletrônicos também são necessários. A configuração do laser precisaria ser mais compacta e integrada antes que o giroscópio pudesse ser usado no campo, Disse Donley. Outros grupos de pesquisa estão reduzindo o tamanho desses sistemas de laser, ela adicionou.

As sensibilidades do giroscópio NIST para a magnitude e direção das medições de rotação são 0,033 graus por segundo e 0,27 graus com um segundo de tempo médio, respectivamente. Esses resultados estão se aproximando dos níveis de sensibilidade alcançados por outros grupos de pesquisa usando interferômetros de átomos muito maiores, Disse Donley. Além disso, o giroscópio NIST é o único que pode medir rotações ao longo de dois eixos e uma aceleração ao longo de um eixo simultaneamente com uma única fonte de átomos.

No giroscópio NIST, quando os átomos são primeiro presos em uma nuvem e, em seguida, liberados para cair sob a gravidade, um feixe de laser faz com que eles façam a transição entre dois estados de energia. Este processo envolve absorção e emissão de partículas de luz, o que dá impulso aos átomos e faz com que suas ondas de matéria se separem e, mais tarde, se recombinem para interferir. Quando os átomos aceleram ou giram, suas ondas de matéria mudam e interferem de maneiras previsíveis, visível em imagens da nuvem expandida.

Os átomos são visualizados brilhando por um segundo, feixe de laser fraco através da nuvem. Como os átomos em diferentes estados de energia absorvem luz de diferentes frequências, as imagens mostram bandas de interferência de populações de átomos nos dois estados diferentes. A taxa de rotação e o eixo de rotação são medidos analisando o espaçamento e a direção das bandas de interferência na nuvem de átomos. A aceleração é medida a partir de mudanças na posição da banda central. O interferômetro é sensível à aceleração ao longo da direção do feixe de laser e às rotações perpendiculares ao feixe.

O instrumento pode ser usado como uma bússola giratória, porque os átomos sentem a rotação no plano tangencial à superfície da Terra. Os sinais de rotação, devido à rotação da Terra, apontar para o norte, como é útil na navegação.