Группа исследователей из Германии предложила усовершенствованную конструкцию устройства для измерения вращения на основе облака холодных атомов. Предложенный инструмент имеет в два раза большую чувствительность, чем существовавшие ранее аналоги. Устройство представляет собой атомный интерферометр, который эксплуатирует волновую природу атомов для измерений, в частности, вращения Земли. Благодаря миниатюрным размерам в перспективе подобные интерферометры вполне могут использоваться в качестве чувствительных стабильных гироскопов в основе систем навигации кораблей и самолетов. Инструментарий также поможет выполнить более точные измерения силы тяжести и проверить положения теории относительности.

Исследователи уже довольно давно используют атомные интерферометры для точных измерений силы тяжести и вращения.

Усовершенствования этой технологии могут быть полезны для оценки скорости дрейфа континентов, сейсмических сдвигов, а также для уточнения данных навигационных систем, в частности, на основе GPS.

На данный момент наиболее точные измерения скорости вращения Земли обеспечивают большие аппараты, но интерферометры на холодных атомах в перспективе могут преобразиться в высокоточные портативные устройства.

Классический интерферометр использует световые волны.

К примеру, в интерферометре Маха-Цандера наполовину посеребренное зеркало («светоделитель») расщепляет импульс света, посылая лучи в разных направлениях.

Затем импульсы отражаются от зеркал, которые направляют их на второй светоделитель, где и фиксируется итоговый световой поток (иными словами, траектории двух лучей формируют ромб). Если один из лучей прошел немного большее расстояние из-за вращения установки, волны будут немного сдвинуты по фазе друг относительно друга, т.е. они частично компенсируются в точке встречи. Чувствительность такого интерферометра зависит от длины волны, таким образом, исследователям удается существенно повысить точность, используя атомы, чей квантовый характер определяется значительно более короткими волнами.

В одной из конструкций атомного интерферометра облако холодных атомов запускается по горизонтали и взаимодействует с серией из трех лазерных импульсов, когда проходит через исследуемую область.

Лазерные импульсы в данном случае играют роль светоделителя и зеркал. Первый импульс переводит атомы в комбинацию двух состояний: отклонения направо и налево относительно «нулевого» состояния. Второй импульс отклоняет оба облака обратно (навстречу друг другу), а третий обеспечивает подготовку облака к измерению числа атомов в возбужденном состоянии. В атомном интерферометре используется волна, представляющая собой осциллирующую вероятность атома находиться в возбужденном состоянии (а не осциллирующее электромагнитное поле, как в оптическом интерферометре).

Поскольку Земля вращается, одно из атомных облаков пройдет больший путь, нежели другое, что повлечет за собой изменение количества атомов в возбужденном состоянии.

Одним из основных источников ошибок ранее созданных атомных интерферометров было то, что атомные облака проходили довольно большие расстояния, находясь в возбужденном состоянии. Иными словами, на результат могли повлиять внешние силы (магнитные поля), создающие шум в измерениях.

Группе исследователей из Leibniz University of Hannover (Германия) удалось снизить уровень этого шума, изменив схему эксперимента таким образом, чтобы оба атомных облака большую часть времени находились в основном состоянии (не возбужденном), так что их не затрагивали внешние силы.

Для этого команда использовала несколько атомных импульсов в каждой из трех точек взаимодействия, что обеспечивало только короткие переходы между двумя состояниями.

Используя свою вариацию методики, исследователи измерили скорость вращения Земли с точностью около 1%. Основываясь на полученных данных, ученые говорят, что их метод в два раза чувствительнее, нежели существующие на сегодняшний день гироскопы на холодных атомах. Более того, они считают, что могут увеличить точность своего прибора, используя при этом конструкцию площадью в 40 кв. мм (что много меньше по сравнению с 16 кв. м, необходимыми сегодня для наиболее чувствительных гироскопов).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Letters Review.