Em um novo estudo, os físicos da Universidade do Colorado Boulder usaram uma nuvem de átomos resfriados a temperaturas incrivelmente frias para medir simultaneamente a aceleração em três dimensões – um feito que muitos cientistas não achavam possível.
O dispositivo, um novo tipo de “interferômetro” átomo, poderia um dia ajudar as pessoas a navegar por submarinos, naves espaciais, carros e outros veículos com mais precisão.
“Os interferômetros tradicionais de átomos só podem medir a aceleração em uma única dimensão, mas vivemos dentro de um mundo tridimensional”, disse Kendall Mehling, co-autor do novo estudo e estudante de graduação no Departamento de Física da CU Boulder. “Para saber para onde estou indo e saber para onde estive, preciso rastrear minha aceleração nas três dimensões”.
Os pesquisadores publicaram seu artigo, intitulado “Acelerometria do Vector Atom em uma treliça óptica”, este mês no diário Avanços científicos. A equipe incluiu Mehling; Catie Ledesma, pesquisador de pós -doutorado em física; e Murray Holland, professor de física e membro de Jila, um Instituto de Pesquisa Conjunto entre Cu Boulder e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).
Em 2023, a NASA concedeu aos pesquisadores da CU Boulder uma doação de US $ 5,5 milhões através do Instituto Quantum Pathways da agência para continuar desenvolvendo a tecnologia do sensor.
O novo dispositivo é uma maravilha da engenharia: a Holanda e seus colegas empregam seis lasers tão finos quanto um cabelo humano para prender uma nuvem de dezenas de milhares de átomos de rubídio no lugar. Então, com a ajuda da inteligência artificial, eles manipulam esses lasers em padrões complexos – permitindo que a equipe medisse o comportamento dos átomos à medida que reagem a pequenas acelerações, como pressionar o acelerador no seu carro.
Hoje, a maioria dos veículos rastreia a aceleração usando GPS e dispositivos eletrônicos tradicionais ou “clássicos” conhecidos como acelerômetros. O dispositivo quântico da equipe tem um longo caminho a percorrer antes que possa competir com essas ferramentas. Mas os pesquisadores veem muita promessa para a tecnologia de navegação com base em átomos.
“Se você deixar um sensor clássico em diferentes ambientes por anos, envelhecerá e deterioram”, disse Mehling. “As nascentes do seu relógio mudarão e a deformação. Os átomos não envelhecem.”
Impressões digitais de movimento
Os interferômetros, de uma forma ou de outra, existem há séculos – e foram usados para fazer de tudo, desde o transporte de informações sobre as fibras ópticas até a busca de ondas gravitacionais ou ondulações no tecido do universo.
A ideia geral envolve dividir as coisas e reuni -las novamente, não muito diferente do zombamento, depois fechando uma jaqueta.
Na interferometria a laser, por exemplo, os cientistas primeiro iluminam uma luz a laser e depois dividiram -a em duas vigas idênticas que viajam por dois caminhos separados. Eventualmente, eles trazem os raios novamente. Se os lasers tiveram efeitos divergentes ao longo de suas jornadas, como a gravidade agindo de maneiras diferentes, eles podem não combinar perfeitamente quando se recombinam. Em outras palavras, o zíper pode ficar preso. Os pesquisadores podem fazer medições com base em como as duas vigas, uma vez idênticas, agora interferem entre si – daí o nome.
No presente estudo, a equipe alcançou o mesmo feito, mas com átomos em vez de luz.
Veja como funciona: o dispositivo atualmente se encaixa em um banco do tamanho de uma mesa de hóquei aérea. Primeiro, os pesquisadores esfriam uma coleção de átomos de rubidium até temperaturas apenas alguns bilionésimos de grau acima de zero absoluto.
Nesse domínio gelado, os átomos formam um misterioso estado quântico de matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC). Carl Wieman, então físico em Cu Boulder, e Eric Cornell, de Jila, ganharam um Prêmio Nobel em 2001 por criar o primeiro BEC.
Em seguida, a equipe usa luz a laser para agitar os átomos, separando -os. Nesse caso, isso não significa que grupos de átomos estejam se separando. Em vez disso, cada átomo individual existe em um estado quântico fantasmagórico chamado superposição, na qual pode ser simultaneamente em dois lugares ao mesmo tempo.
Quando os átomos se separam e se separam, esses fantasmas se afastam um do outro, seguindo dois caminhos diferentes. (No experimento atual, os pesquisadores não moveram o próprio dispositivo, mas usaram lasers para empurrar os átomos, causando aceleração).
“Nosso condensado de Bose-Einstein é um lago de ondas de matéria feito de átomos, e jogamos pedras feitas de pequenos pacotes de luz na lagoa, enviando ondulações para a esquerda e a direita”, disse Holland. “Depois que as ondulações se espalharam, nós as refletimos e as reunimos de volta onde interferem”.
Quando os átomos se encaixam novamente, eles formam um padrão único, assim como os dois feixes de luz a laser, mas mais complexos. O resultado se assemelha a uma impressão de polegar em um copo.
“Podemos decodificar essa impressão digital e extrair a aceleração que os átomos experimentaram”, disse Holland.
Planejamento com computadores
O grupo passou quase três anos construindo o dispositivo para alcançar esse feito.
“Para o que é, o dispositivo experimental atual é incrivelmente compacto. Embora tenhamos 18 vigas a laser que passam pelo sistema de vácuo que contém nossa nuvem Atom, todo o experimento é pequeno o suficiente para que possamos implantar em campo um dia”, disse Ledesma.
Um dos segredos desse sucesso se resume a uma técnica de inteligência artificial chamada Machine Learning. A Holland explicou que a divisão e a recombinação dos átomos de rubidium requer ajustar os lasers por meio de um processo complexo e várias etapas. Para otimizar o processo, o grupo treinou um programa de computador que pode planejar esses movimentos com antecedência.
Até agora, o dispositivo só pode medir acelerações vários milhares de vezes menores que a força da gravidade da Terra. As tecnologias atualmente disponíveis podem fazer muito melhor.
Mas o grupo continua a melhorar sua engenharia e espera aumentar o desempenho de seu dispositivo quântico muitas vezes nos próximos anos. Ainda assim, a tecnologia é uma prova de como os átomos podem ser úteis.
“Não temos certeza de todas as possíveis ramificações desta pesquisa, porque ela abre uma porta”, disse Holland.
