211service.com
Eerste gebruik van Atom Interferometer om vliegtuigversnelling te meten
Materie heeft het verbijsterende vermogen om zich zowel als golven als deeltjes te gedragen, maar het heeft natuurkundigen enige tijd gekost om dit effect te benutten. In de afgelopen jaren hebben verschillende groepen over de hele wereld de kunst echter geperfectioneerd om laserachtige bundels van atomen te maken en deze te laten interfereren om interferentiepatronen te genereren.
Zogenaamde atoominterferometers hebben een enorm potentieel. Omdat de golflengte van atomen en moleculen kleiner kan zijn dan die van licht, kunnen de interferometers veel nauwkeuriger zijn.
Bovendien worden atomen, in tegenstelling tot licht, beïnvloed door de zwaartekracht van de aarde, waardoor metingen van deze kracht met ongekende nauwkeurigheid mogelijk zijn. Dit gebeurt ofwel in speciale ondergrondse laboratoria waar de apparaten kunnen worden geïsoleerd van invloeden van buitenaf of in experimenten met vrije val, waar de apparaten een korte periode van 0g kunnen ervaren.
Maar er is nog iets dat atoominterferometers zouden moeten kunnen doen: versnelling meten. In theorie hebben deze apparaten het potentieel om te fungeren als versnellingsmeters die minstens zo gevoelig zijn als moderne traagheidsnavigatiesystemen. En ze zouden ook robuuster moeten zijn, niet in de laatste plaats omdat ze werken zonder (conventionele) bewegende delen.
Maar er is een probleem. Atom-interferometers zijn zo gevoelig dat de geringste trilling de resultaten overweldigt. En dat sloot ze uit als bruikbare traagheidssensoren.
Tot nu. Vandaag hebben Remi Geiger van het Laboratoire Charles Fabry in Parijs en een groep amis de eerste atoominterferometer gebouwd die de bewegingen van een vliegtuig kan meten. Ze hebben hun apparaat zelfs getest in een Airbus A300 en zeggen dat het in staat is versnellingen te meten die 300 keer kleiner zijn dan de bewegingen van het vliegtuig.
De truc die deze jongens hebben geperfectioneerd, is een manier om de effecten van grote trillingen te elimineren die anders hun metingen zouden overweldigen. Dit doen ze met mechanische versnellingsmeters die aan hun kit zijn bevestigd, die de grootschalige beweging van het vliegtuig registreren.
Vervolgens nemen ze deze metingen eenvoudigweg af van de versnelling die wordt gemeten door de atoominterferometer. Dit onthult de veel kleine variaties gemeten door de atoominterferometer.
Ons instrument bestaat uit een hybride sensor die dankzij de mechanische apparaten grote versnellingen kan meten en dankzij de atoomversnellingsmeter een hoge resolutie kan bereiken, zeggen Geiger en co.
Dat zou een aanzienlijke impact kunnen hebben op navigatiesystemen, aangezien dit soort nauwkeurigheid zou kunnen helpen bij het corrigeren van de fouten die in conventionele traagheidsnavigatiesystemen sluipen.
Maar de techniek kan ook helpen op andere gebieden, zoals geodesie en gravimetrie, die kleine veranderingen in het zwaartekrachtveld van de aarde meten.
Het zou ook fundamentele fysica-experimenten in microzwaartekracht gemakkelijker kunnen maken. Een belangrijk experiment is om grenzen te stellen aan een principe dat bekend staat als de universaliteit van de vrije val of het principe van zwakke equivalentie. Dit is het idee dat alle lichamen in hetzelfde tempo vallen, ongeacht hun interne structuur.
Natuurkundigen hebben dit gemeten tot een deel op 10^13, maar sommige theorieën voorspellen dat nauwkeurigere metingen een afwijking zouden moeten onthullen. Met andere woorden, de interne structuur van een lichaam zou de manier waarop het onder de zwaartekracht valt, moeten beïnvloeden, maar slechts in een kleine hoeveelheid.
Tot nu toe hebben alle experimenten om dit in microzwaartekracht te meten twee verschillende atoominterferometers gebruikt om de ruis op te heffen. In feite meten ze het verschil in de manier waarop twee verschillende atomen vallen. Maar dit soort relatieve meting is niet ideaal.
De nieuwe techniek geeft natuurkundigen een manier om de versnelling van een enkel type atoom rechtstreeks te meten, een techniek die zou kunnen leiden tot metingen van één deel op 10^15 in ruimtegebaseerde experimenten.
En aangezien de European Space Agency precies zo'n test heeft geselecteerd voor zijn volgende generatie experimenten, bekend als Cosmic Vision 2020-22, kunnen we tegen die tijd misschien een versie hiervan in een baan om de aarde zien.
Referentie: arxiv.org/abs/1109.5905 : Detectie van traagheidseffecten met interferometrie via stofgolven in de lucht