Dentro brevemente
- Físicos da Universidade de Michigan desenvolveram um sensor de rotação quântica usando interferômetros atômicos com tamanho de núcleo invisível ao olho humano, tornando-o muito menor do que os modelos existentes.
- O novo design usa um laser em forma de pino para capturar átomos, permitindo medições de rotação mais precisas, revolucionando potencialmente os sensores de interferômetro baseados em átomos em aplicações do mundo real.
- A prova de conceito visa criar sensores pequenos e portáteis para uso em áreas como detecção de ondas gravitacionais, navegação inercial e mapeamento gravitacional.
- Fonte: Notícias da Universidade de Michigan
NOTÍCIAS DA UNIVERSIDADE – Interferômetros atômicos são sensores quânticos que usam a natureza ondulatória dos átomos para medir gravidade, aceleração e rotação com precisão excepcional.
A maioria dos interferômetros atômicos atuais são instrumentos de grande porte, alojados em edifícios e que requerem torres que podem atingir dezenas de metros de altura. Agora, físicos da Universidade de Michigan desenvolveram um projeto para um sensor de rotação quântica do tamanho de um núcleo invisível ao olho humano.
O projeto de prova de conceito pode ajudar a trazer sensores quânticos baseados em átomos para o mundo, de acordo com o autor principal e estudante de doutorado da UM, Bineet Dash.
Os cientistas podem usar interferômetros atômicos para aplicações que vão desde a busca contínua de pequenas ondas na estrutura do universo causadas por ondas gravitacionais até a compreensão das mudanças minúsculas e localizadas na gravidade da Terra causadas pelo derretimento do gelo na Antártida, disse Dash. Mas devido ao seu tamanho, os interferômetros atômicos geralmente estão confinados a ambientes de laboratório. Atualmente, interferômetros altamente sensíveis usam torres altas dentro de edifícios para disparar feixes de átomos de dezenas de metros para coletar informações.
O novo design desenvolvido por Dash e pelo laboratório do físico da UM Georg Raithel usa um tipo especial de feixe de laser que prende átomos em uma geometria em forma de alfinete, que pode ser medida a partir de um raio de 30 mícrons, menor que a largura de um fio de cabelo humano. , e até 10 vezes maior, cerca de 300 mícrons. O projeto dos pesquisadores foi publicado na revista AVS Quantum Science.
“Este interferômetro não é uma melhoria incremental em projetos existentes que foram desenvolvidos em outros lugares”, disse Dash. “Isso se baseia em uma abordagem muito diferente proposta por nossa equipe para 2021.”
Atualmente, os pesquisadores costumam usar interferômetros baseados na interferência de ondas laser. Na astrofísica, esses interferômetros são usados para detectar ondas gravitacionais, disse Dash. Na navegação inercial, interferômetros ópticos são utilizados para medir a rotação de aeronaves, navios e satélites.
“As pessoas dizem que existe um sensor que funciona com luz. Por que precisamos desenvolver um sensor que utilize a mecânica quântica? Dash disse. “A principal motivação é que os interferômetros atômicos podem ser muito mais sensíveis do que os interferômetros ópticos nas mesmas condições.”
Sensores de rotação óptica baseados em interferômetro usam o chamado efeito Sagnac. O físico francês Georges Sagnac descobriu que a luz pode ser usada para medir a rotação: se você enviar luz para um corpo em rotação e depois enviar outro fluxo de luz para a rotação, as ondas de luz se sobrepõem. Mas essas ondas de luz “interferem” umas nas outras e começam a mostrar diferenças na forma como viajam. Essa diferença pode ser usada para medir a velocidade de rotação.
Sensores de rotação interferométrica de átomos são baseados no mesmo conceito. De acordo com a mecânica quântica, os átomos são partículas, mas também se comportam como ondas. Como seu comprimento de onda é muito mais curto que o da luz, de acordo com Dash, eles permitem medições de rotação mais precisas e sensíveis do que os interferômetros de luz.
Mas, além de seu grande tamanho, o modo como a maioria dos interferômetros atômicos existentes funciona também apresenta problemas em seu uso fora do laboratório. Os átomos são lançados no vácuo dentro da torre do laboratório em diferentes direções usando pulsos de laser, disse Dash. Um caminho do átomo chega mais alto que o outro e depois converge novamente para baixo. A lacuna entre eles fornece informações sobre a aceleração de fundo.
Quando os átomos são liberados no espaço livre, eles podem se dispersar e, quando se dispersam, a informação é perdida. Em algum momento, os átomos se dispersarão o suficiente para que toda a informação seja perdida. E embora os fluxos atômicos sejam apresentados juntos, muitos átomos não estão conectados, resultando em perda de informação.
Em 2021, o laboratório de Raithel, onde Dash estudou, utilizou o conceito de “objetos leves” para tentar reduzir o tamanho dos interferômetros atômicos. Os feixes de laser são criados quando dois feixes de laser viajam em direções opostas, criando grades de luz. Sob as condições certas, os átomos podem ficar presos nos mínimos da grade de luz, como ovos em uma caixa de ovos, disse Dash. As redes ópticas mantêm os átomos confinados e permitem que os experimentadores direcionem os átomos em caminhos predeterminados que certamente se recombinarão.
Um estudo de 2021 mostrou que átomos em diferentes estados quânticos podem ficar presos em diferentes redes ajustando cuidadosamente os parâmetros do laser. Usando pulsos de laser, os pesquisadores podem criar uma superposição quântica de estados presos em duas dessas redes. Mover essas duas redes em direções opostas cria um emaranhado entre os dois fluxos de átomos, que pode ser usado para estudar a aceleração de fundo.
Mas o projeto de 2021 apenas enviava átomos para frente e para trás em linha reta, o que não conseguia detectar a rotação.
No estudo atual, o laboratório de Raithel desenvolveu um método para usar um tipo especial de feixe de laser que envia átomos em um padrão angular em vez de um padrão de onda estacionária vertical.
“Parece um cata-vento e, alterando ligeiramente as frequências do laser, a velocidade do cata-vento pode ser alterada”, disse Dash. “Após um tempo fixo de rotação, começa um atraso entre os cataventos, e podemos usar esse atraso para encontrar a rotação do fundo.”
Dash disse que embora o artigo descreva um projeto de prova de conceito, o laboratório Raithel está atualmente trabalhando na pesquisa de protótipos usando a fonte de átomos frios Bose.
“Os interferômetros atômicos atuais são bons para a física fundamental, mas são pesados, muito poderosos, ocupam muito espaço e, basicamente, por causa de sua pegada geométrica, não são realmente úteis”, disse Dash. “Nossa pesquisa é sobre desenvolvimento de protótipos. Mas é um método geral que pode ser adaptado para uso prático, por exemplo, em navegação inercial e mapeamento gravitacional, bem como em pesquisas em física fundamental.”
