Невидимые силы: физики создали прибор, измеряющий всё движение Вселенной

Физики из Колорадского университета в Боулдере совершили настоящий прорыв, создав устройство, способное одновременно измерять ускорение в трёх измерениях с использованием облака атомов, охлаждённых до экстремально низких температур.

Этот новый тип атомного интерферометра, о котором многие учёные ранее считали невозможным, может в будущем стать основой для высокоточных навигационных систем, используемых в подводных лодках, космических аппаратах, автомобилях и других видах транспорта.

Кендалл Мелинг, один из авторов исследования, отметил, что традиционные атомные интерферометры способны измерять ускорение только в одном направлении, тогда как реальный мир требует отслеживания движения в трёх измерениях, чтобы точно определять местоположение и траекторию.

Результаты работы команды были опубликованы в журнале Science Advances под названием "Векторная атомная акселерометрия в оптической решётке". В проекте также участвовали научный сотрудник Кэти ЛеДесма и профессор физики Мюррей Холланд, представляющий совместный исследовательский институт JILA, созданный университетом и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В прошлом году НАСА выделило команде грант в размере 5,5 миллионов долларов для дальнейшего развития этой технологии.

Устройство представляет собой сложную инженерную разработку. Исследователи используют шесть лазеров, толщиной с человеческий волос, чтобы удерживать облако из десятков тысяч атомов рубидия в неподвижном состоянии. Затем, с помощью искусственного интеллекта, они управляют лазерами по сложным траекториям, что позволяет фиксировать поведение атомов при малейших ускорениях, таких как нажатие на педаль газа в автомобиле.

В отличие от современных навигационных систем, которые полагаются на GPS и традиционные акселерометры, квантовое устройство обладает уникальным преимуществом. Мелинг подчеркнул, что классические датчики со временем изнашиваются и теряют точность, тогда как атомы не подвержены старению, что делает их идеальной основой для долговечных технологий.

Принцип работы нового интерферометра основан на разделении и последующем соединении атомов, что напоминает процесс расщепления и слияния лазерных лучей в традиционной интерферометрии. Однако в данном случае вместо света используются атомы, охлаждённые до температуры, близкой к абсолютному нулю, что приводит к образованию конденсата Бозе — Эйнштейна (КБЭ) — особого квантового состояния материи.

Холланд пояснил, что в этом состоянии атомы ведут себя как единый "пруд" материи и волн, в который с помощью лазеров "бросают камешки", создавая волновую рябь. Эта рябь затем отражается и собирается обратно, образуя уникальный узор, который позволяет определить ускорение, испытанное атомами.

Кэти ЛеДесма отметила, что, несмотря на сложность устройства, оно остаётся компактным. Она добавила, что через вакуумную систему, содержащую атомное облако, проходит 18 лазерных лучей, но в будущем технология может быть адаптирована для использования в полевых условиях.

Важную роль в разработке сыграл искусственный интеллект, который позволил автоматизировать сложный процесс управления лазерами. Холланд уточнил, что для расщепления и рекомбинации атомов требуется многоэтапная настройка, и команда создала специальную компьютерную программу, которая заранее планирует эти действия.

На данный момент устройство способно измерять ускорения, в тысячи раз меньшие, чем сила тяжести Земли, что пока уступает возможностям современных технологий. Однако команда продолжает совершенствовать разработку, стремясь значительно повысить её производительность в ближайшие годы. Холланд подчеркнул, что исследование открывает новые горизонты, и пока невозможно предсказать все его последствия, но потенциал технологии огромен.

Уточнения

GPS — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84.