После успешной миниатюризации часов и магнитометров на основе свойств отдельных атомов, физики NIST теперь обратились к прецизионным гироскопам, которые измеряют вращение.
Команда NIST продемонстрировала компактный атомный гироскоп, который при дальнейшем развитии может быть портативным, маломощным и достаточно точным, чтобы его можно было использовать для навигации.
Гироскопы, традиционно основанные на механических компонентах, которые вращаются или вибрируют, широко используются в навигационных приложениях и все чаще используются в бытовой электронике, такой как смартфоны. Новое устройство NIST может найти применение в приложениях, требующих сверхточной навигации с экстремальными размерами, весом и ограничениями мощности, например, на космических кораблях или подводных лодках.
В качестве бонуса гироскоп NIST также может одновременно измерять ускорение. Комбинированный гироскоп / акселерометр позволяет осуществлять навигацию по «точному счёту», без привязки к внешним ориентирам или звездам.
Стеклянная атомная камера гироскопа NIST всего 3.Размером 5 кубических сантиметров. Вся экспериментальная установка, включая маломощные лазеры и оптику, в настоящее время имеет размер стола, но исследователи NIST стремятся уменьшить все устройство до портативного куба размером с мини-холодильник.
Описанный в Applied Physics Letters, гироскоп NIST представляет собой атомный интерферометр. Он основан на расширяющемся облаке атомов, охлаждаемых лазером, метод, первоначально продемонстрированный в Стэнфордском университете в 10-метровом «фонтане» атомов.
Традиционная оптическая интерферометрия включает в себя объединение или «вмешательство» электромагнитных волн в свет с последующим извлечением информации об исходных световых путях из результирующих волновых структур. Точно так же атомные интерферометры – используя тот факт, что атомы действуют как частицы и как волны, – интерферируют эти волны, чтобы измерить силы, действующие на атомы. Когда атомы ускоряются или вращаются, их материальные волны смещаются и интерферируют предсказуемым образом, что видно в интерференционных картинах.
Сердце гироскопа NIST – небольшая стеклянная камера, содержащая около 8 миллионов холодных атомов рубидия, захваченных и высвобожденных.
Пока атомы падают под действием силы тяжести, лазерный луч заставляет их переходить между двумя энергетическими состояниями. Этот процесс включает в себя поглощение и испускание легких частиц, что придает атомам импульс и заставляет их материальные волны разделяться, а затем рекомбинировать для интерференции.
Облако холодных атомов расширяется в 5 раз от своего первоначального размера в течение 50 миллисекунд (тысячных долей секунды) последовательности измерений, что создает корреляцию между скоростью каждого атома и его конечным положением. Повороты моделируются путем наклона зеркала под камерой.
Эффект интерференции на атоме зависит от его скорости, поэтому вращение порождает мешающие полосы атомов на изображениях последнего облака.
Атомы визуализируются путем прохождения второго слабого лазерного луча через облако.
Поскольку атомы в разных энергетических состояниях поглощают свет разных частот, конечное энергетическое состояние атомов может быть обнаружено. Полученные изображения показывают интерференционные полосы населений атомов в двух различных энергетических состояниях. Скорость вращения и ось вращения измеряются путем анализа расстояния и направления полос интерференции в облаке атомов. Ускорение выводится из изменений в центральной полосе.
Интерферометр чувствителен к ускорению вдоль направления света и к вращению перпендикулярно свету.
«Обычно комбинированный гироскоп / акселерометр требует двух отдельных источников атомов», – сказала руководитель проекта Элизабет Донли. "Версия NIST получает оба сигнала одновременно от единого расширяющегося облака атомов, подход, который в конечном итоге может привести к значительно более простым устройствам."
Атомные гироскопы генерируют меньшее смещение (или сигнал, когда они не вращаются, тип ошибки), чем обычные прецизионные гироскопы, в которых используются кольцевые лазеры. Система NIST не только меньше, но и проще, чем другие подобные атомные интерферометры.
Исследовательская группа NIST уже десять лет работает над различными конструкциями мини-гироскопов. В прошлые годы они проявляли интерес к мини-гироскопам для использования в местах, где спутниковая навигация нарушена из-за непреднамеренных помех или преднамеренных помех.