Ljubitelji znanstvene fantastike gotovo poznate t.i. “shrink ray”. To je fikcijska naprava, s katero bi bilo mogoče ob dovajanju energije pomanjšati telesa.
Čeprav bo zaradi zakonov fizike, ki vladajo temu vesolju, takšna naprava za vedno le plod domišljije, se znanstveniki v resničnem svetu takšni miniturizaciji zelo dobro približajo, z izumi kot so ure in magnetometri, ki delujejo s pomočjo lastnosti posameznih atomov. Sedaj so znanstveniki z narodnega inštitutu za standardizacijo in tehnologijo (NIST, Gaithersburg, ZDA) razvili natančni žiroskop, ki meri rotacijo. Skupina raziskovalcev pri NIST je prikazala prenosni, energetsko učinkovit atomski žiroskop, ki je dovolj natančen za uporabo v navigaciji.
Žiroskopi v različnih oblikah so že od nekdaj prisotni v navigaciji in vse bolj v zabavni elektroniki naprimer v pametnih telefonih. Nova naprava pa bi bila uporabna v napravah, ki imajo potrebo po zelo natančni navigaciji, pri čemer mora biti naprava za navigacijo čim manjša, lažja in energetsko varčna (vesoljska plovila, podmornice,…). Zaradi svoje dodatne sposobnosti merjenja pospeška, je atomski žiroskop primeren za “slepo navigacijo”, torej brez opiranja na zunanje objekte (zvezde, satelite,…), temveč sam točno ve, kako se je plovilo gibalo, zato lahko glede na začetno točko povsem natančno določi trenutni položaj.
Stekleni prostor, v katerem so zaprti referenčni atomi, je velik le 3,5 kubičnih centimetrov. Trenutno zavzema celotna eksperimentalna oprema, ki se uporablja za merjenje (nizkoenergetski laserji, optika) eno mizo, vendar napovedujejo, naj bi se celotno opremo dalo zmanjšati na manjšo kocko velikosti malega hladilnika.
Kot so zapisali v članku v “Applied Phisics Letters”, je ta žiroskop interferometer atoma, ki je osnovan na oblaku atomov, ohlajenih z laserjem, ki se širi. To tehniko so prvič prikazali na Stanfordski univerzi, kjer je bil oblak atomov visok 10m.
Tradicionalna optična interferometrija je osnovana na interferenci znanih elektromagnetnih valov na svetlobi, ko se interferenca zgodi, jo zaznamo in iz podatkov izluščimo informacijo o lastnostih svetlobe pred interferenco z elektromagnetnimi valovi. V primeru atomske interferometrije, pa izkoristimo dejstvo, da se podobno kot svetloba, tudi atomi obnašajo dualno (torej v nekaterih pogojih kot delec in v drugih kot valovanje), zato lahko interfiramo elektromagnetne valove z atomi, da izvemo, kakšne sile delujejo na atom.
Ko se atom zavrti ali pospeši, se njegovi snovni valovi spremenijo na predvidljiv način, kar z interferenco zaznamo.
Znotraj prej omenjenega steklenega prostora je približno 8 milijonov hladnih Rubidijevih atomov, ki so ujeti in nato spuščeni. Ko nanje deluje gravitacija, padajo, vendar jim laserji dovajajo energijo, kar povzroča prehode v vzbujeno stanje, kjer se energija spet odda v obliki svetlobe in atomi se vračajo v osnovno stanje. Ta proces oddaja značilne snovne valove.
Hladen oblak atomov se razširi do petkratnika svoje prvotne velikosti v tem procesu, ki traja 50 milisekund in je zatem vzorčen. Ta razteg nam poda zvezo med hitrostjo atomov in njihovo končno pozicijo.
Vrteči del simuliramo tako, da nagibamo zrcalo pod stekleno komoro, interferenčni vpliv na atom pa je odvisen od njegove hitrosti, zato rotacija ustvari interferenčne pasove atomov ob vzorčenju.
Atome vzorčimo s pomočjo drugega laserja, ki posveti skozi oblak. Ker obstaja zveza med energijo (vzbujenostjo) atomov in valovno dolžino svetlobe, ki jo absorbirajo, lahko ugotovimo kakšno je energetsko stanje atomov ob vzorčenju.
Hitrost vrtenja in njeno os dobimo z analizo razmika in smeri interferenčnih pasov oblaka atomov. Pospešek dobimo iz srednjega pasu. Interferometer meri le pospeške v smeri svetlobe in rotacije, ki so pravokotne na smer svetlobe.
“Do sedaj sta bila potrebna dva ločena vira atomov”, pravi vodja projekta Elizabeth Donley. “Naprava, ki smo jo razvili v NIST, pa dobi obe informaciji naenkrat iz enega samega oblaka atomov, zaradi česar se bo naprava močno poenostavila.”
Atomski žiroskopi ustvarjajo manj odstopanja (napačno zaznavanje premika tudi ko tega ni) kot dosedanji natančni žiroskopi, ki uporabljajo obročne laserje, ob tem pa so tudi manjši in enostavnejši.
Ekipa v NIST se z različnimi majhnimi žiroskopi ukvarja že desetletje. V preteklih letih so se ukvarjali z mini žiroskopi za uporabo v območjih, kjer satelitska navigacija ni mogoča, ali je onemogočena zaradi namernega motilnega signala.
Vir
National Institute of Standards and Technology (NIST). http://www.electronicspecifier.com/around-the-industry/atomic-gyroscope-is-the-shrink-ray-of-the-real-world
Atomski žiroskop je “skrčitveni žarek” v resničnem svetu
www.production.electronicspecifier.com
2017_SE248_6
