Створено портативний атомний гравіметр

Фізики з Німеччини, США і Канади розробили портативний атомний гравіметр - прилад для точного вимірювання сил гравітації. Пристрій засновано на інтерференції атомів у конденсаті Бозе-Ейнштейна, що вільно падають у полі сили тяжкості. Розміри приладу приблизно відповідають коробці від взуття, а точність всього в 10 разів менша, ніж у масивних і малорухливих аналогів. Вчені відзначають, що якщо внести ряд удосконалень, то атомний гравіметр зможе вимірювати прискорення вільного падіння з точністю до мільярдних часток величини. Подібні вимірювання допоможуть у розвідці родовищ руди і карстових порожнин. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє.

Гравіметри використовуються для аналізу варіацій сили тяжіння в різних точках Землі. Традиційно такі прилади засновані на дослідженні руху тіл у гравітаційному полі: вимірюванні часу вільного падіння або частоти коливань пружинних маятників. Більш сучасні прилади використовують для аналізу левітацію надпровідних кілець (ефект Мейсснера) і атомну інтерферометрію. Точність вимірювань абсолютної величини прискорення таких гравіметрів досягає десятимільярдних її часток.

Робочим тілом в атомних гравіметрах є бозе-ейнштейновський конденсат - хмара холодних атомів (частки кельвіна), стиснутих настільки, що їх хвильові функції перекриваються і всі вони ведуть себе як єдина квантова система. Такий конденсат за допомогою лазерного імпульсу пускають у вільне падіння по двох плечах (каналах). При цьому початкова швидкість конденсату в цих каналах відрізняється на заздалегідь відому величину (вона дорівнює «віддачі» від імпульсу). У точці перетину відбувається явище інтерференції. Хвилеві функції атомів будуть складатися і результат цього складання буде залежати від різності фаз, внесеної різністю швидкостей. А ця величина безпосередньо залежить від прискорення вільного падіння.

Розміри таких установок можна порівняти зі зростанням людини - через це вони маломобільні і їх не можна застосовувати в польових дослідженнях. Автори нової роботи знайшли спосіб мініатюризувати атомні гравіметри, використавши для цього так звані атомні чіпи і багаторазове повторення вільного падіння.

В основі експериментальної установки знаходиться «атомний чіп» - портативний пристрій, здатний генерувати хмару бозе-ейнштейновського конденсату. Хмара в чіпі містила 10 тисяч атомів рубідію, охолоджених до 50 нанокельвін і захоплених магнітною пасткою. Для початку вимірювання на хмару направляли спеціально підготовлений лазерний імпульс, що змінював магнітний стан рівно половини атомів. Цей же імпульс надавав їм додаткову початкову швидкість.

Атоми пролітали близько одного сантиметра - між запуском вільного падіння і вимірювальним імпульсом встигало пройти близько 10 мілісекунд. Вчені знайшли спосіб збільшити цей час, використовуючи додатковий імпульс лазера, що підкидає конденсат майже до вихідного положення. У сукупності з повторенням розділяє лазерного імпульсу і подальшим падінням час експерименту збільшувався до 50 мілісекунд.

Точність вимірювань за допомогою портативного гравіметра виявилася приблизно в 10 разів меншою, ніж у повнорозмірних приладів - 1,7 ст.110 − 7 прискорення вільного падіння. Без зворотного підкидання точність вимірювання була приблизно в 100 разів гірше (статистика набиралася протягом восьми годин). За словами авторів, використання більш досконалих атомних чіпів (генеруючих конденсат з 100 тисяч атомів) і обладнання, портативний прилад може досягти точності мільярдних часток прискорення.

Величина гравітаційних аномалій вимірюється в галах - сотих частках метра в секунду в квадраті. Величина прискорення вільного падіння в цих одиницях дорівнює примено 980 гал. Типова точність гравіметрів відповідає десяткам і сотням мікрогал. Щоб оцінити розмір цієї величини, можна вказати, що приріст прискорення вільного падіння через додаткову масу в один кілограм на глибині одного метра під землею становить 0,007 мікрогал. Варіації прискорення вільного падіння через вплив Місяця становлять 24000 мікрогал. Гори і моря викликають регіональні аномалії з величиною в сотні тисяч мікрогал, розкид прискорення вільного падіння між полюсами і екватором становить кілька мільйонів мікрогал. Точність оптимізованого приладу, пропонованого фізиками, може досягти величин менше одного мікрогалу.