از روزنامه نگاری غیرانتفاعی حمایت کنید.
حسگرهای گرانش کوانتومی، مانند آنچه در تصویر نشان داده شده است، می توانند اجسام پنهان شده در زیر زمین را با استفاده از رفتار کوانتومی اتم های سرد و در حال سقوط آزاد شناسایی کنند.
@CrownCopyright
نوشته

بهترین راه برای یافتن گنج مدفون ممکن است با یک حسگر گرانش کوانتومی باشد.
در این دستگاه‌ها، اتم‌های در حال سقوط آزاد، تغییرات ظریفی را در کشش گرانشی زمین در مکان‌های مختلف نشان می‌دهند. این تغییرات منعکس کننده تفاوت در چگالی مواد در زیر سنسور است – به طور موثری به ابزار اجازه می دهد تا زیر زمین همتا شود. محققان در 24 فوریه Nature گزارش دادند، در یک آزمایش جدید، یکی از این ماشین‌ها نشانه گرانشی کوچک یک تونل زیرزمینی را کشف کرد.
نیکولا پولی، فیزیکدان تجربی در دانشگاه فلورانس، که تفسیری بر این مطالعه در همان شماره مجله Nature نویسندگی کرده است، می‌گوید: «ابزارهایی مانند این کاربردهای بسیاری پیدا می‌کنند.
سرفصل‌ها و خلاصه‌ای از آخرین مقالات Science News ، به صندوق پستی شما تحویل داده شده است
با تشکر از شما برای ثبت نام!
مشکلی در ثبت نام شما وجود داشت.
پولی تصور می کند که از حسگرهای گرانش کوانتومی برای نظارت بر آب های زیرزمینی یا ماگما در زیر آتشفشان ها یا کمک به باستان شناسان برای کشف مقبره های پنهان یا سایر مصنوعات بدون نیاز به حفاری آنها استفاده کند ( SN: 11/2/17 ). این دستگاه‌ها همچنین می‌توانند به کشاورزان کمک کنند تا کیفیت خاک را بررسی کنند یا به مهندسان کمک کنند تا مکان‌های ساخت و ساز احتمالی را از نظر زمین ناپایدار بازرسی کنند.
Xuejian Wu، فیزیکدان اتمی در دانشگاه راتگرز در نیوآرک، نیوجرسی، که در این مطالعه شرکت نداشت، می گوید: «ابزارهای زیادی برای اندازه گیری گرانش وجود دارد. برخی دستگاه‌ها اندازه‌گیری می‌کنند که گرانش تا چه اندازه جرمی را که از فنر آویزان است پایین می‌کشد. ابزارهای دیگر از لیزر برای اندازه گیری سرعت پایین افتادن یک جسم در محفظه خلاء استفاده می کنند. وو می‌گوید، اما اتم‌های در حال سقوط آزاد، مانند اتم‌های موجود در حسگرهای گرانش کوانتومی، بکرترین و قابل‌اعتمادترین توده‌های آزمایشی هستند. در نتیجه، حسگرهای کوانتومی قول می‌دهند که در بلندمدت نسبت به سایر کاوشگرهای گرانشی دقیق‌تر و پایدارتر باشند.
در داخل یک حسگر گرانش کوانتومی، ابری از اتم‌های فوق‌خنک شده در یک ناودان رها می‌شود. سپس یک پالس نور هر یک از اتم های در حال سقوط را به یک حالت برهم نهی تقسیم می کند – یک برزخ کوانتومی که در آن هر اتم در دو مکان در یک زمان وجود دارد ( SN: 11/7/19 ). با توجه به موقعیت های کمی متفاوت آنها در میدان گرانشی زمین، دو نسخه از هر اتم هنگام سقوط، کشش متفاوتی به سمت پایین را احساس می کنند. سپس یک پالس نوری دیگر اتم های تقسیم شده را دوباره ترکیب می کند.
به لطف دوگانگی موج-ذره اتم ها – یک قانون عجیب فیزیک کوانتومی که می گوید اتم ها می توانند مانند امواج عمل کنند – اتم های متحد شده دوباره با یکدیگر تداخل می کنند ( SN: 1/13/22 ). یعنی با همپوشانی امواج اتم، تاج و فرورفتگی آنها می توانند یکدیگر را تقویت یا خنثی کنند و یک الگوی تداخلی ایجاد کنند. این الگو، کشش‌های رو به پایین کمی متفاوتی را منعکس می‌کند که نسخه‌های تقسیم‌شده هر اتم هنگام سقوط احساس می‌کردند – که میدان گرانش را در محل ابر اتمی آشکار می‌کند.
اندازه گیری های بسیار دقیق انجام شده توسط چنین دستگاه های مبتنی بر اتم به آزمایش نظریه گرانش انیشتین ( SN: 10/28/20 ) و اندازه گیری ثابت های اساسی ، مانند ثابت گرانشی نیوتن ( SN: 4/12/18 ) کمک کرده است. اما حسگرهای گرانشی مبتنی بر اتم به ارتعاشات ناشی از فعالیت لرزه ای، ترافیک و سایر منابع بسیار حساس هستند.
مایکل هولینسکی، فیزیکدان دانشگاه بیرمنگام انگلستان، می گوید: «حتی ارتعاشات بسیار بسیار کوچک، نویز کافی ایجاد می کند که باید برای مدت طولانی در هر مکانی اندازه گیری کرد» تا لرزش پس زمینه را از بین ببرید. این باعث شده است که سنجش گرانش کوانتومی برای بسیاری از کاربردهای خارج از آزمایشگاه غیرعملی باشد.
تیم هولینسکی این مشکل را با ساختن یک حسگر گرانشی با نه یک، بلکه دو ابر اتم روبیدیم در حال سقوط حل کرد. با تعلیق یک ابر در یک متر بالاتر از دیگری، این ابزار می‌تواند قدرت گرانش را در دو ارتفاع مختلف در یک مکان واحد اندازه‌گیری کند. مقایسه این اندازه‌گیری‌ها به محققان این امکان را داد که اثرات نویز پس‌زمینه را لغو کنند.
هالینسکی و همکارانش آزمایش کردند که آیا حسگر آنها – یک راهرو با ارتفاع 2 متر روی چرخ‌هایی که به یک چرخ دستی تجهیزات متصل است – می‌تواند یک گذرگاه زیرزمینی در محوطه دانشگاه بیرمنگام را تشخیص دهد یا خیر. این تونل بتنی 2 در 2 متری در زیر جاده ای بین دو ساختمان چند طبقه قرار داشت. حسگر کوانتومی میدان گرانشی محلی را هر 0.5 متر در امتداد یک خط 8.5 متری که از روی تونل عبور می کرد اندازه گیری کرد. این بازخوانی‌ها با پیش‌بینی‌های یک شبیه‌سازی رایانه‌ای مطابقت داشت، که سیگنال گرانشی تونل را بر اساس ساختار آن و سایر عواملی که می‌توانستند بر میدان گرانشی محلی تأثیر بگذارند، مانند ساختمان‌های مجاور، تخمین زده بودند.
بر اساس حساسیت دستگاه در این آزمایش، احتمالاً می تواند اندازه گیری گرانش قابل اعتمادی را در هر مکان در کمتر از دو دقیقه ارائه دهد. این حدود یک دهم زمان مورد نیاز برای انواع دیگر حسگرهای گرانشی است.
از آن زمان این تیم یک نسخه کوچک از سنسور گرانش مورد استفاده در آزمایش تشخیص تونل ساخته است. وزن دستگاه جدید در مقایسه با جانور 300 کیلوگرمی که برای آزمایش تونل استفاده شد، حدود 15 کیلوگرم است. سایر ارتقاءها نیز می توانند سرعت سنسور جاذبه را افزایش دهند.
در آینده، مهندس Nicole Metje در نظر دارد یک حسگر گرانش کوانتومی بسازد که می تواند مانند یک ماشین چمن زنی از جایی به مکان دیگر رانده شود. متجه، یکی از نویسندگان این مطالعه که همچنین در دانشگاه بیرمنگام است، می‌گوید اما قابل حمل بودن تنها چالش برای کاربرپسندتر کردن این ابزارها نیست. "در حال حاضر، ما هنوز به فردی با مدرک فیزیک نیاز داریم تا حسگر را کار کند."
بنابراین ساحل‌نشینان امیدوار ممکن است مدت زیادی منتظر باشند تا فلزیاب‌های خود را با حسگرهای گرانش کوانتومی مبادله کنند.
سوالات یا نظراتی در مورد این مقاله دارید؟ به ما در feedback@sciencenews.org ایمیل بزنید
B. Stray et al . سنجش کوانتومی برای نقشه کشی گرانشی طبیعت . جلد 602، 24 فوریه 2022، ص. 590. doi: 10.1038/s41586-021-04315-3.
N. Poli، R. Pašteka و P. Zahorec. تغییرات اتمی می تواند ساختارهای زیرزمینی را ترسیم کند . طبیعت . جلد 602، 24 فوریه 2022، ص. 579. doi: 10.1038/d41586-022-00464-1.
ماریا تمینگ که قبلاً نویسنده کارکنان علوم فیزیکی در Science News بود، دستیار سردبیر Science News for Students بود. او دارای مدرک لیسانس در فیزیک و زبان انگلیسی و فوق لیسانس در نویسندگی علوم است.
Science News در سال 1921 به عنوان یک منبع مستقل و غیرانتفاعی اطلاعات دقیق در مورد آخرین اخبار علم، پزشکی و فناوری تاسیس شد. امروز، ماموریت ما یکسان است: توانمندسازی مردم برای ارزیابی اخبار و دنیای اطرافشان. این توسط Society for Science منتشر شده است، یک سازمان غیرانتفاعی عضویت 501(c)(3) که به مشارکت عمومی در تحقیق و آموزش علمی اختصاص دارد.
© Society for Science & the Public 2000–2022. تمامی حقوق محفوظ است.
مشترکین، برای دسترسی کامل به آرشیو اخبار علمی و نسخه های دیجیتال، آدرس ایمیل خود را وارد کنید.
مشترک نیستید؟
الان یکی شو

source