La gravimetria mobile è una tecnica importante in metrologia, navigazione, geodesia e geofisica. Sebbene i gravimetri atomici siano attualmente utilizzati per la precisione, sono vincolati dalla fragilità e dalla complessità strumentali. In un nuovo studio, Xuejian Wu e un gruppo di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di fisica, il Servizio Geologico degli Stati Uniti, biofisica molecolare e bio-imaging integrato, dimostrato un gravimetro atomico mobile. Il dispositivo ha misurato le variazioni di gravità delle maree in laboratorio e ha rilevato la gravità sul campo.

Hanno usato l'attrezzatura per ottenere un'elevata sensibilità per le misurazioni della gravità delle maree con stabilità a lungo termine per rivelare gli effetti del carico di marea dell'oceano, così come diversi terremoti lontani. Il team di ricerca ha esaminato la gravità nelle Berkeley Hills per determinare la densità delle rocce del sottosuolo dal gradiente di gravità verticale. Lo strumento semplice e sensibile sviluppato nello studio aprirà la strada per portare i gravimetri atomici nelle applicazioni sul campo. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .

I fisici in genere utilizzano interferometri atomici a impulsi luminosi per misurare le forze inerziali insieme a studi per comprendere le forze sub-gravitazionali sugli atomi. I gravimetri basati sull'interferometria atomica sono tra gli strumenti più precisi e sensibili per misurare con precisione la gravità, a differenza degli strumenti esistenti basati su molle, bobine superconduttrici, dispositivi micromeccanici o cubi d'angolo cadenti. I gravimetri atomici si basano su misurazioni di interferometria materia-onda con una nuvola atomica in caduta libera. Nel suo meccanismo d'azione, gli scienziati possono dirigere le onde della materia in due bracci dell'interferometro utilizzando il momento dei fotoni che sono estremamente ben definiti dalla lunghezza d'onda del laser integrato.

I ricercatori stanno attualmente progettando gravimetri atomici trasportabili per applicazioni in metrologia, rilevamento aereo, indagini a bordo nave e applicazioni sul campo. Tali strumenti raggiungono tipicamente sensibilità intorno a 5 - 100 µGalileo (µGal) in laboratorio, mentre il gravimetro atomico nelle indagini gravitazionali aveva raggiunto solo una precisione di circa 1 mGal su una nave marina. La gravimetria mobile precisa è quindi preziosa per le misurazioni della gravità con un'incertezza di pochi microGalileo in metrologia. Ad esempio, per aiutare la navigazione marittima inerziale, le mappe di riferimento gravitazionali richiedono gravimetri con una precisione almeno miliGalileo a bordo. Di conseguenza, i gravimetri atomici dovrebbero essere sia sensibili che mobili per applicazioni affidabili sul campo.

Nel presente lavoro, Wu et al. dimostrato un gravimetro atomico mobile in laboratorio e durante le operazioni sul campo. Il team di ricerca ha confrontato la gravità misurata negli esperimenti con un modello di marea terrestre solido per indicare la sua sensibilità atomica. Sulla base della sensibilità strumentale Wu et al. osservato gli effetti del caricamento delle maree oceaniche e misurato le onde sismiche di terremoti distanti. Il team di ricerca ha quindi implementato indagini sulla gravità a Berkeley Hills utilizzando lo strumento. Il gravimetro atomico può essere utilizzato per studi geodetici e geofisici per perfezionare il geoide durante l'esplorazione delle risorse, studi idrologici e monitoraggio dei pericoli per misurazioni precise sul campo in futuro.

Wu et al. ha progettato il gravimetro atomico mobile su un interferometro atomico dotato di una trappola magneto-ottica (MOT) all'interno di uno specchio piramidale con un foro passante. Questa nuova geometria offriva molti vantaggi; formando prima uno stadio di pompaggio differenziale tra le regioni MOT e interferometria atomica, con un rapporto di pressione del vapore superiore a 10:1 per accelerare la velocità di caricamento dell'atomo e ridurre il rumore di fondo per il rilevamento dell'atomo. La configurazione ha permesso ai raggi laser MOT e dell'interferometro di avere diversi punti vita per ottenere un grande volume MOT e un'elevata intensità del raggio Raman con la potenza laser disponibile. Come terza caratteristica, il team di ricerca ha permesso al gravimetro atomico di sfruttare la retroriflessione da uno specchio isolato dalle vibrazioni, insensibile alle vibrazioni dello specchio piramidale. L'isolamento delle vibrazioni era più semplice ed efficace rispetto ai tradizionali gravimetri atomici piramidali. Per la sua quarta funzione, Wu et al. ha utilizzato uno specchio piatto come retroriflettore per eliminare gli effetti sistematici delle imperfezioni nella configurazione piramidale.

Il team ha eseguito l'interferometria atomica sotto lo specchio piramidale utilizzando transizioni Raman a due fotoni sensibili al Doppler guidate da due raggi laser e una geometria Mach-Zehnder. Poiché gli atomi si muovevano in caduta libera, gli scienziati hanno aumentato la differenza di frequenza laser tra i due raggi con una velocità di α, che variavano per ottenere l'accelerazione nel sistema. Hanno utilizzato un laser a diodo singolo con tre modulatori acusto-ottici (AOM) e un modulatore di fase elettro-ottico (EOM) a fibra ottica. per generare tutti i raggi laser necessari per il MOT, durante l'interferometria e le procedure di rilevamento dello studio.

Gli scienziati hanno misurato la variazione della gravità delle maree a lungo termine per 12 giorni utilizzando il gravimetro atomico. Hanno quindi utilizzato l'interferometro atomico con isolamento attivo dalle vibrazioni e ottenuto valori medi dei dati di gravità ogni 2 ore, confrontato con un modello di marea terrestre solido. Poiché il laboratorio di ricerca si trovava a circa 4,5 km a est dell'area della Baia di San Francisco, l'effetto del carico di marea dell'oceano sulla gravità era notevole nella posizione precisa in contrasto con i rapporti precedenti. I ricercatori hanno corretto la marea terrestre solida e ottenuto una sensibilità di 37 µGal/√Hz per il gravimetro atomico con una stabilità maggiore di 2 µGal entro mezz'ora. Durante le misurazioni della gravità delle maree, il gravimetro atomico potrebbe registrare treni di onde sismiche da diversi terremoti distanti per misurare l'accelerazione verticale delle onde sismiche. Wu et al. ha confrontato il gravimetro atomico con uno dei sismometri della Berkeley Digital Seismic Network. Ad esempio, quando un terremoto di magnitudo 6,8 e profondo 570 km si è verificato in Brasile il 5 gennaio, 2019, sia il gravimetro atomico che il sismometro hanno rilevato le onde del corpo del terremoto dopo circa 20 minuti. Il team di Berkeley ha rilevato in modo simile misurazioni il 6 gennaio, 2019, quando un terremoto di magnitudo 6,6 e profondo 43 km si è verificato in Indonesia.

Per studiare l'accuratezza del gravimetro atomico, il gruppo di ricerca ha stimato gli effetti sistematici. Hanno calcolato l'errore sistematico totale a 0,015 mGal con un bias di misurazione che si avvicina a -0,008 mGal. I ricercatori hanno verificato internamente la ripetibilità dell'esperimento dopo aver trasportato il gravimetro atomico alla Campbell Hall del Berkeley Campus dell'Università della California, per misurare la gravità su piani diversi, con gravità al piano seminterrato come riferimento. I valori corrispondevano a quelli calcolati utilizzando le tecniche standard di rilevamento della gravità. A seconda del rumore vibrazionale, il gravimetro atomico ha raggiunto una sensibilità di circa 0,2 mGal/√Hz. Però, la sensibilità ai piani più alti è diminuita a causa delle vibrazioni più forti. I risultati hanno indicato l'effetto gravitazionale della massa dell'edificio Campbell.

Successivamente, il team ha utilizzato il gravimetro atomico sul campo per rilevare la gravità assoluta nelle Berkeley Hills. Hanno azionato il gravimetro all'interno di un veicolo su una lunghezza del percorso di 7,6 km e un dislivello di 400 m, mentre si utilizza l'isolamento passivo delle vibrazioni per misurare la gravità in 6 posizioni. Il team ha impiegato circa 15 minuti per impostare il gravimetro in ogni posizione, che includeva l'accoppiamento dello strumento e l'allineamento del raggio dell'interferometro all'asse di gravità. A causa dell'aumento del rumore vibrazionale nel campo, Wu et al. ha misurato la sensibilità del gravimetro a 0,5 mGal//√Hz. In totale, le misurazioni hanno mostrato variazioni di gravità approssimative di 92,6 mGal, dalla base alla vetta delle Berkeley Hills.

In questo modo, Xuejian Wu e colleghi hanno sviluppato un gravimetro atomico mobile per eseguire misurazioni della gravità delle maree e rilevamenti della gravità. Il nuovo strumento MOT piramidale ha sfruttato l'interferometria atomica a raggio singolo per offrire un semplice allineamento laser-gravità e un migliore isolamento dalle vibrazioni. Il dispositivo è mobile, compatto e robusto per il trasporto in campo, pur mantenendo una sensibilità relativamente più elevata ai gravimetri atomici esistenti. Le caratteristiche consentono applicazioni geodetiche e geofisiche per la gravimetria mobile precisa in laboratorio e sul campo. Lo strumento è attualmente limitato dal rumore vibrazionale con margini di miglioramento. I gravimetri avanzati troveranno applicazioni aggiuntive come rilevatori di tunnel, sensori per lo stoccaggio dell'acqua sotterranea e monitorare i terremoti e l'attività vulcanica.

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