I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno aggiornato il loro giroscopio atomico compatto per consentire capacità di misurazione multitasking e misurarne le prestazioni, passi importanti verso applicazioni pratiche.

Descritto in un nuovo documento, i processi di progettazione e valutazione del giroscopio quantistico sono stati guidati da tre donne:una situazione molto insolita in fisica e motivo di orgoglio per la responsabile del progetto Elizabeth Donley al NIST. I ricercatori post-dottorato Yun-Jhih Chen e Azure Hansen hanno completamente ricostruito l'apparato negli ultimi due anni.

"Non solo abbiamo costruito un semplice giroscopio quantistico, ma questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato la misurazione simultanea della rotazione, angolo di rotazione e accelerazione con un'unica sorgente di atomi, "Donley ha detto. "Altri giroscopi, compresi quelli classici attualmente utilizzati nei telefoni e negli aerei, può misurare un solo asse di rotazione. Questa è anche la prima volta che segnaliamo una sensibilità per le misurazioni di accelerazione e rotazione".

Il team del NIST ha precedentemente misurato la rotazione con una versione precedente del giroscopio quantistico. L'apparato è stato aggiornato per aumentare la potenza del segnale e la velocità di acquisizione dei dati per consentire misurazioni di sensibilità competitive. I ricercatori hanno anche aggiunto un algoritmo di riconoscimento del modello derivato dall'apprendimento automatico per estrarre automaticamente le informazioni dalle immagini degli atomi.

Il giroscopio NIST è un interferometro atomico, sfruttando il fatto che gli atomi possono agire sia come particelle che come onde. La rotazione e l'accelerazione sono dedotte da immagini di onde di materia interferenti (che mostrano la probabilità della posizione di una particella nello spazio) da atomi in due diversi stati energetici.

Gli interferometri atomici potrebbero essere utilizzati nella navigazione e nella geodesia (lo studio della forma della Terra basato su misurazioni della gravità) a causa della loro sensibilità all'accelerazione e alla rotazione combinata con la loro stabilità e precisione a lungo termine. Lo sviluppo di piccoli, leggero, gli interferometri atomici a bassa potenza sono la chiave per spostare gli strumenti fuori dal laboratorio verso applicazioni sul campo.

Il team del NIST ha sviluppato uno schema semplificato suscettibile di applicazioni portatili utilizzando un singolo, minuscola nuvola di atomi che cade solo di pochi millimetri durante le misurazioni. Una camera di vetro di appena 1 centimetro cubo di volume contiene circa 10 milioni di atomi di rubidio freddo che vengono intrappolati e rilasciati.

Attualmente, per i laser è necessario un tavolo ottico a grandezza naturale, e sono necessari anche alcuni rack di elettronica. La configurazione del laser dovrebbe essere resa più compatta e integrata prima che il giroscopio possa essere utilizzato sul campo, ha detto Donley. Altri gruppi di ricerca stanno riducendo le dimensioni di questi sistemi laser, lei ha aggiunto.

Le sensibilità del giroscopio NIST per l'ampiezza e la direzione delle misurazioni di rotazione sono 0,033 gradi al secondo e 0,27 gradi con un tempo medio di un secondo, rispettivamente. Questi risultati si stanno avvicinando ai livelli di sensibilità raggiunti da altri gruppi di ricerca utilizzando interferometri atomici molto più grandi, ha detto Donley. Inoltre, il giroscopio NIST è unico in quanto può misurare rotazioni lungo due assi e un'accelerazione lungo un asse contemporaneamente con una singola fonte di atomi.

Nel giroscopio del NIST, quando gli atomi vengono prima intrappolati in una nuvola e poi rilasciati per cadere sotto gravità, un raggio laser li fa passare tra due stati energetici. Questo processo comporta l'assorbimento e l'emissione di particelle luminose, che dà slancio agli atomi e fa sì che le loro onde di materia si separino e in seguito si ricombinano per interferire. Quando gli atomi accelerano o ruotano, le loro onde di materia si spostano e interferiscono in modi prevedibili, visibile nelle immagini del cloud espanso.

Gli atomi sono rappresentati brillando un secondo, raggio laser debole attraverso la nuvola. Poiché gli atomi in diversi stati energetici assorbono luce di frequenze diverse, le immagini mostrano bande di interferenza di popolazioni atomiche nei due diversi stati. La velocità di rotazione e l'asse di rotazione vengono misurati analizzando la spaziatura e la direzione delle bande di interferenza attraverso la nuvola atomica. L'accelerazione è misurata dai cambiamenti nella posizione della banda centrale. L'interferometro è sensibile all'accelerazione lungo la direzione del raggio laser e sensibile alle rotazioni perpendicolari al raggio.

Lo strumento può essere utilizzato come girobussola, perché gli atomi percepiscono la rotazione nel piano tangente alla superficie della Terra. I segnali di rotazione, a causa della rotazione terrestre, puntare a nord, come è utile nella navigazione.