Esquema do sistema laser. AOM, modulador acústico-óptico; EOM, modulador eletro-óptico baseado em fibra; PBS, divisor de feixe de polarização; Fibra PM, polarização mantendo a fibra. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax0800
A gravimetria móvel é uma técnica importante em metrologia, navegação, geodésia e geofísica. Embora os gravímetros atômicos sejam atualmente usados para fins de precisão, eles são limitados pela fragilidade e complexidade instrumental. Em um novo estudo, Xuejian Wu e uma equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de física, o U.S. Geological Survey, biofísica molecular e bioimagem integrada, demonstrou um gravímetro atômico móvel. O dispositivo mediu as variações da gravidade das marés no laboratório e pesquisou a gravidade no campo.
Eles usaram o equipamento para alcançar uma alta sensibilidade para medições de gravidade das marés com estabilidade de longo prazo para revelar os efeitos do carregamento das marés do oceano, bem como vários terremotos distantes. A equipe de pesquisa pesquisou a gravidade nas colinas de Berkeley para determinar a densidade das rochas subterrâneas a partir do gradiente vertical de gravidade. O instrumento simples e sensível desenvolvido no estudo abrirá caminho para trazer os gravímetros atômicos para aplicações em campo. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência .
Os físicos normalmente usam interferômetros de átomo de pulso de luz para medir as forças inerciais ao lado de estudos para compreender as forças sub-gravitacionais nos átomos. Gravímetros baseados em interferometria atômica estão entre as ferramentas mais precisas e sensíveis para medir com precisão a gravidade, em contraste com os instrumentos existentes baseados em molas, bobinas supercondutoras, dispositivos micromecânicos ou cubos de canto caindo. Os gravímetros atômicos dependem de medições de interferometria de onda de matéria com uma nuvem atômica caindo livremente. Em seu mecanismo de ação, os cientistas podem direcionar as ondas de matéria em dois braços de interferômetro usando o momento dos fótons que são extremamente bem definidos pelo comprimento de onda do laser integrado.
Gravímetro atômico. (A) Esquemático. Nuvens de césio são carregadas no novo MOT piramidal e então caem livremente na região de detecção de fluorescência. k1 e k2 são os vetores de onda dos feixes do interferômetro. Uma blindagem magnética e um solenóide (não mostrado) em torno da câmara de vácuo criam um campo de polarização magnética uniforme. O retrorrefletor consiste em um espelho plano e uma placa de um quarto de onda. O estágio de isolamento de vibração inclui uma mesa de isolamento de vibração passiva, um sismômetro, bobinas de voz, e um ciclo de feedback ativo. (B) Geometria do interferômetro Mach-Zehnder. Três pulsos de laser (linhas verdes onduladas) se dividem, redirecionar, e combine uma onda de matéria (linhas azuis e laranja). (C) Franjas com T =120 ms e C =16%. Os pontos azuis são dados experimentais de disparo único, e a curva vermelha é um ajuste sinusoidal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax0800
Os pesquisadores estão atualmente projetando gravímetros atômicos transportáveis para aplicações em metrologia, detecção aerotransportada, levantamentos marítimos e aplicações de campo. Esses instrumentos normalmente atingem sensibilidades em torno de 5 a 100 µGalileo (µGal) no laboratório, enquanto o gravímetro atômico em levantamentos gravimétricos alcançou apenas uma precisão de aproximadamente 1 mGal em um navio da marinha. A gravimetria móvel precisa é, portanto, valiosa para medições de gravidade com uma incerteza de alguns microGalileos em metrologia. Por exemplo, para auxiliar a navegação marítima inercial, mapas de referência de gravidade requerem gravímetros com pelo menos precisão miliGalileo a bordo. Como resultado, Os gravímetros atômicos devem ser sensíveis e móveis para aplicações confiáveis no campo.
No presente trabalho, Wu et al. demonstrou um gravímetro atômico móvel no laboratório e durante as operações de campo. A equipe de pesquisa comparou a gravidade medida nos experimentos com um modelo de maré sólido da Terra para indicar sua sensibilidade atômica. Com base na sensibilidade instrumental Wu et al. observaram os efeitos do carregamento das marés do oceano e mediram as ondas sísmicas de terremotos distantes. A equipe de pesquisa então implementou pesquisas de gravidade em Berkeley Hills usando o instrumento. O gravímetro atômico pode ser usado para estudos geodésicos e geofísicos para refinar o geóide durante a exploração de recursos, estudos hidrológicos e monitoramento de perigos para medições de campo precisas no futuro.
Medição da gravidade da maré. (A) Variação da gravidade da maré em função do tempo. Cada ponto azul é o valor médio dos dados de gravidade ao longo de 2 horas. (B) Comparação entre a gravidade residual e a variação do nível da água na Baía de São Francisco. O residual de gravidade é a diferença entre as medições e o modelo de maré sólido da Terra. A variação do nível da água é medida pelo observatório da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional em Richmond, CA. (C) Desvio de Allan do resíduo. A linha tracejada corresponde a uma sensibilidade de 37 μGal / √ Hz. O pico largo em torno de 3 × 104 s deve-se ao carregamento das marés do oceano. (D) Densidade espectral de potência do residual. O carregamento das marés do oceano resulta em picos em torno de 1 × 10−5 a 3 × 10−5 Hz. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax0800
Wu et al. projetou o gravímetro atômico móvel em um interferômetro de átomo apresentando uma armadilha magneto-óptica (MOT) dentro de um espelho piramidal com um orifício de passagem. Essa nova geometria ofereceu muitas vantagens; formando primeiro um estágio de bombeamento diferencial entre as regiões MOT e interferometria de átomo, com uma razão de pressão de vapor de mais de 10:1 para acelerar a velocidade de carregamento do átomo e diminuir o ruído de fundo para a detecção de átomos. A configuração permitiu que os feixes de laser MOT e interferômetro tivessem cinturas diferentes para atingir um grande volume de MOT e alta intensidade de feixe Raman com a potência do laser disponível. Como um terceiro recurso, a equipe de pesquisa permitiu que o gravímetro atômico aproveitasse a retrorreflexão de um espelho isolado de vibração insensível às vibrações do espelho piramidal. O isolamento de vibração era mais simples e eficaz em comparação com gravímetros atômicos piramidais tradicionais. Para seu quarto recurso, Wu et al. usou um espelho plano como retrorrefletor para eliminar efeitos sistemáticos de imperfeições na configuração piramidal.
A equipe realizou interferometria atômica sob o espelho da pirâmide usando transições Raman de dois fótons sensíveis a Doppler conduzidas por dois feixes de laser e uma geometria de Mach-Zehnder. Como os átomos se moviam em queda livre, os cientistas aumentaram a diferença de frequência do laser entre os dois feixes com uma taxa de α, que variaram para obter aceleração no sistema. Eles usaram um único laser de diodo com três moduladores acústico-ópticos (AOMs) e um modulador eletro-óptico de fase baseado em fibra (EOM), para gerar todos os feixes de laser necessários para o MOT, durante a interferometria e procedimentos de detecção do estudo.
Ondas sísmicas de terremoto detectadas em Berkeley. O gravímetro atômico mede a aceleração vertical das ondas sísmicas com uma taxa de atualização de 0,13 Hz. O sinal sísmico é o canal vertical do sismômetro localizado em Haviland Hall, no campus de Berkeley da Universidade da Califórnia (UC). É uma unidade arbitrária e tem uma taxa de atualização de 0,1 Hz. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax0800.
Os cientistas mediram a variação da gravidade da maré de longo prazo por 12 dias usando o gravímetro atômico. Eles então operaram o interferômetro de átomo com isolamento de vibração ativo e obtiveram os valores médios dos dados de gravidade a cada 2 horas, em comparação com um modelo sólido de maré da Terra. Como o laboratório de pesquisa estava localizado a cerca de 4,5 km a leste da área da Baía de São Francisco, o efeito da carga das marés do oceano sobre a gravidade foi notável no local preciso, em contraste com relatórios anteriores. Os pesquisadores corrigiram para a maré sólida da Terra e obtiveram uma sensibilidade de 37 µGal / √Hz para o gravímetro atômico com estabilidade maior que 2 µGal em meia hora. Durante as medições de gravidade da maré, o gravímetro atômico pode registrar trens de ondas sísmicas de vários terremotos distantes para medir a aceleração vertical das ondas sísmicas. Wu et al. comparou o gravímetro atômico com um dos sismômetros da Rede Sísmica Digital de Berkeley. Por exemplo, quando um terremoto de magnitude 6,8 e 570 km de profundidade ocorreu no Brasil em 5 de janeiro, 2019, tanto o gravímetro atômico quanto o sismômetro detectaram ondas corporais do terremoto após cerca de 20 minutos. A equipe em Berkeley também detectou medições em 6 de janeiro, 2019, quando um terremoto de magnitude 6,6 e 43 km de profundidade ocorreu na Indonésia.
Para investigar a precisão do gravímetro atômico, a equipe de pesquisa estimou os efeitos sistemáticos. Eles calcularam o erro sistemático total em 0,015 mGal com um viés de medição aproximando-se de -0,008 mGal. Os pesquisadores verificaram a repetibilidade do experimento internamente após transportar o gravímetro atômico para o Campbell Hall no campus de Berkeley da Universidade da Califórnia, para medir a gravidade em pisos diferentes, tendo a gravidade no piso do subsolo como referência. Os valores corresponderam aos calculados usando técnicas padrão de levantamento de gravidade. Dependendo do ruído vibracional, o gravímetro atômico atingiu uma sensibilidade de cerca de 0,2 mGal / √Hz. Contudo, a sensibilidade nos andares superiores diminuiu devido a vibrações mais fortes. Os resultados indicaram o efeito gravitacional da massa do edifício Campbell.
Levantamento da gravidade em Berkeley Hills. (A) Rota de medição. A curva azul descreve a rota, e as gotas de pino branco são os seis locais de medição. (B) Anomalia de gravidade em função da elevação. As elevações são do Google Maps. As barras de erro são erros estatísticos e sistemáticos 1 - σ. A linha tracejada indica um VGG de -0,225 (10) mGal / m. (C) O aparelho gravímetro atômico. (D) Operação de campo do gravímetro atômico dentro de um veículo. [Crédito da foto para (A):Google Maps; crédito da foto para (C) e (D):Xuejian Wu, UC Berkeley]. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aax0800.
Depois disso, a equipe usou o gravímetro atômico em campo para pesquisar a gravidade absoluta nas colinas de Berkeley. Eles operaram o gravímetro dentro de um veículo em um percurso de 7,6 km e uma mudança de elevação de 400 m, ao usar o isolamento de vibração passiva para medir a gravidade em 6 locais. A equipe gastou aproximadamente 15 minutos para configurar o gravímetro em cada local, que incluiu emparelhar o instrumento e alinhar o feixe de interferômetro ao eixo de gravidade. Devido ao aumento do ruído vibracional no campo, Wu et al. mediu a sensibilidade do gravímetro a 0,5 mGal // √Hz. No total, as medições mostraram mudanças aproximadas de gravidade em 92,6 mGal, da base ao pico das colinas de Berkeley.
Desta maneira, Xuejian Wu e seus colegas desenvolveram um gravímetro atômico móvel para realizar medições de gravidade das marés e pesquisas de gravidade. O novo instrumento MOT piramidal aproveitou a interferometria de feixe único de átomos para oferecer alinhamento simples de laser para gravidade e isolamento de vibração aprimorado. O dispositivo é móvel, compacto e robusto para transporte no campo, ao mesmo tempo em que mantém uma sensibilidade comparativamente mais alta aos gravímetros atômicos existentes. Os recursos permitem aplicações geodésicas e geofísicas para gravimetria móvel precisa no laboratório e no campo. O instrumento está atualmente limitado por ruído vibracional com espaço para melhorias. Os gravímetros avançados encontrarão aplicações adicionais como detectores de túnel, sensores para armazenamento de água subterrânea e monitoram terremotos e atividade vulcânica.
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