Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Pierwsza interferometria atomowa w kosmosie. To zapowiedź superprezycyjnych pomiarów

Recommended Posts

Po raz pierwszy udało się zademonstrować działanie interferometrii atomowej w przestrzeni kosmicznej. Osiągnięcie niemieckich naukowców oznacza, że interferometry atomowe, niezwykle precyzyjne urządzenia pomiarowe, mogą zostać wykorzystane poza Ziemią, np. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Posłużyć tam mogą chociażby do pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi czy wykrywania fal grawitacyjnych.

Stworzyliśmy technologiczne podstawy do wykorzystania interferometrii atomowej na pokładzie rakiety meteorologicznej i wykazaliśmy, że prowadzenie tego typu eksperymentów jest możliwe nie tylko na Ziemi ale i w kosmosie, mówi profesor Patrick Windpassinger z Instytutu Fizyki z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji.

Prace prowadzili naukowcy z różnych uczelni i instytucji badawczych, a zespołem kierowali specjaliści z Uniwersytetu Hanowerskiego. W styczniu 2017 roku wystrzelili oni misję MAIUS-1. Jest to pierwsza w historii misja, w czasie której kondensat Bosego-Einsteina był generowany w przestrzeni kosmicznej. Ten specjalny stan materii uzyskuje się schładzając atomy – w tym przypadku atomy rubidu – do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Ta ultrazimna materia stała się dla nas obiecującym punktem wyjścia do interferometrii atomowej, mówi Windpassinger. Niskie temperatury odgrywają tutaj kluczową rolę, gdyż pozwalają na prowadzenie bardzo precyzyjnych i dłuższych pomiarów.

W czasie eksperymentów wykorzystywano laser do odseparowywania od siebie atomów rubidu i tworzenia ich superpozycji. Możliwe było w ten sposób wytworzenie różnych wzorców interferencji pomiędzy atomami, co z kolei można wykorzystać do badania sił wpływających na atomy, w tym do badania grawitacji.

Misja MAIUS-1 przyniosła więc potwierdzenie słuszności opracowanej koncepcji oraz jej technicznej wykonalności. To zaś oznacza, że możliwe będzie wykorzystanie interferometru atomowego utworzonego z kondensatu Bosego-Einsteina do prowadzenia różnych badań i pomiarów.

W najbliższym czasie niemieccy naukowcy chcą sprawdzić, czy taki interferometr zda egzamin. W roku 2022 wystartuje MAIUS-2, a w roku 2023 – MAIUS-3. Uczeni chcą użyć interferometrów stworzonych nie tylko z atomów rubidu, ale też potasu. Porównując przyspieszenie podczas spadku swobodnego pomiędzy tymi dwoma typami atomów można będzie przetestować Einsteinowską zasadę równoważności z niedostępną dotychczas precyzją.

W przyszłości tego typu eksperymenty można będzie prowadzić na satelitach lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie prawdopodobnie uda się do tego wykorzystać planowane właśnie BECCAL czyli Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory. W tym wypadku precyzja pomiarów nie będzie ograniczona krótkim czasem swobodnego spadku rakiety, wyjaśnia doktor Andre Wenzlawski z grupy badawczej Windpassingera.

Szczegóły badań opisano na łamach Nature Communications.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Najbardziej precyzyjny z dotychczasowych pomiarów wartości stałej struktury subtelnej zarysowuje nowe granice dla teorii mówiących o istnieniu ciemnej materii czy ciemnej energii. Nowa wartość to nie tylko dodatkowy test Modelu Standardowego, ale i wskazówka, gdzie należy poszukiwać ciemnej materii, która wraz z ciemną energią stanowi ponad 90% masy wszechświata.
      Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech stałych fundamentalnych, stałej Plancka, ładunku elektronu oraz prędkości światła. Łącznie określają one siłę oddziaływań elektromagnetycznych, przez co stała struktury subtelnej powszechnie występuje we wszechświecie. Jako, że jest to wielkość bezwymiarowa, niezależna od systemu jednostek, jest w pewnym sensie bardziej podstawowa niż inne stałe fizyczne, których wartość zmienia się w zależności od systemu.
      Niewielka wartość stałej struktury subtelnej, wynosząca około 1/137 wskazuje, że oddziaływania elektromagnetyczne są słabe. To zaś oznacza, że elektrony znajdujące się na orbitach w pewnej odległości od jądra atomu mogą tworzyć wiązania i budować molekuły. To właśnie ta ich właściwość umożliwiła powstanie gwiazd czy planet. Wielu fizyków twierdzi, że takiej a nie innej wartości stałej struktury subtelnej zawdzięczamy własne istnienie. Gdyby bowiem była ona nieco większa lub nieco mniejsza, gwiazdy nie mogłyby syntetyzować cięższych pierwiastków, takich jak np. węgiel. Życie w znanej nam postaci by więc nie istniało.
      Dotychczasowe pomiary stałej struktury subtelnej umożliwiły prowadzenie precyzyjnych testów zależności pomiędzy cząstkami elementarnymi. Zależności te są opisane równaniami, tworzącymi Model Standardowy. Każda niezgodność pomiędzy przewidywaniami Modelu a obserwacjami może wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk fizycznych.
      Zwykle stałą struktury subtelnej mierzy się określając siłę odrzutu atomów absorbujących fotony. Energia kinetyczna tego odrzutu pozwala określić masę atomu. Następnie, na podstawie precyzyjnej znajomości stosunku masy atomu do elektronu, obliczamy masę elektronu. W końcu możemy określić stałą struktury subtelnej z masy elektronu oraz siły wiązań atomowych w wodorze.
      Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesor Saidy Guellati-Khelifa z Laboratoire Kastler-Brossel schłodzili atomy rubidu do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Następnie za pomocą lasera stworzyli superpozycję dwóch stanów atomowych. Pierwszy ze stanów odpowiadał atomom odrzucanym w wyniku zaabsorbowania fotonów, drugi zaś, atomom, które nie doświadczają odrzutu. Atomy w różnych stanach różnie propagowały się wewnątrz komory próżniowej. Naukowcy dodali wówczas drugi zestaw impulsów laserowych, który doprowadził do „ponownego połączenia” obu części superpozycji.
      Im większy był odrzut atomu absorbującego fotony, tym większe przesunięcie fazy względem jego własnej wersji, która nie doświadczała odrzutu. Uczeni wykorzystali tę różnicę do określenia masy atomu, z której następnie wyliczyli stałą struktury subtelnej. W ten sposób określili jej wartość na 1/137,035999206(11). Precyzja pomiaru wynosi 81 części na bilion, jest więc 2,5-krotnie większa niż poprzedni najbardziej precyzyjny pomiar wykonany w 2018 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
      Różnica pomiędzy pomiarem obecnym, a tym z Berkeley rozpoczyna się na 7. cyfrze po przecinku. To zaskoczyło francuskich naukowców, gdyż wskazuje, że albo jedne z pomiarów, albo oba, zawierają nieznany błąd. Autor pomiaru z Berkeley, Holger Müller, komentuje, że wynik uzyskany przez Francuzów potwierdza, iż elektron nie posiada mniejszych struktur i rzeczywiście jest cząstką elementarną.
      Francuzi planują teraz potwierdzić wyniki swoich pomiarów korzystając z innego izotopu rubidu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dzisiaj, 2 listopada, przypada 20. rocznica stałej obecności człowieka w przestrzeni kosmicznej. Od takiego bowiem czasu Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) jest nieprzerwanie zamieszkana.
      Pierwszą załogę ISS stanowili Bill Shepherd, Siergiej Krikalow i Jurij Gidzenko. Wystartowali oni 31 października 2000 roku z Kazachstanu i dwa dni później weszli na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Od tej pory na stacji zawsze przebywali ludzie.
      Dotychczas ISS odwiedzili obywatele 19 krajów, w tym osoby, które dokonywały tam krótkoterminowych prac budowlanych oraz turyści.
      Bill Shepherd, były żołnierz Navy Seals, który był dowódcą pierwszej obsady ISS wspomina, że w porównaniu z dniem dzisiejszym warunki na Stacji były prymitywne. Stacja składała się z trzech pomieszczeń, była ciasna, zagracona i wilgotna. Obecnie ma 3 toalety, 6 sypialni, 12 pokoi oraz wieżę widokową. W jej skład wchodzą trzy nowoczesne laboratoria naukowe.
      Obecnie 71-letni Shepherd jest na emeryturze, a 62-letni Krikalow i 58-letni Gidzenko nadal pracują przy rosyjskim programie kosmicznym. Niedawno panowie odbyli online'owe spotkanie, podczas którego wspominali swój pobyt na stacji. Pierwszą rzeczą, którą zrobili po wejściu na jej pokład, było zapalenie światłe. Następnie zagotowali wodę, by zrobić sobie coś ciepłego do picia i aktywowali jedyną wówczas toaletę.
      Cała trójka spędziła na ISS niemal pięć miesięcy. Łączność z Ziemią mieli sporadycznie. Całymi godzinami byli jej pozbawieni. Obecnie głównym zadaniem załóg ISS jest prowadzenie eksperymentów naukowych. Jednak Shepherd, Krikalow i Gidzenko nie mieli na nie czasu. Zajmowali się uruchamianiem podsystemów stacji przygotowywaniem jej na kolejne wizyty, rozładowywaniem misji zaopatrzeniowych. Byli przez cały czas zajęci i nie wszystko szło zgodnie z przewidywaniami. Na przykład uruchomienie urządzenia do podgrzewania jedzenia zajęło im nie przewidywane 30 minut, a 1,5 doby. Takich problemów było znacznie więcej.
      Ich głównym zadaniem było rozbudowywanie ISS. Sprawy nie ułatwiały kłopoty komunikacyjne. Shepherd wspomina, że często był sfrustrowany faktem, że z dwóch centrów kontroli – w Houston i pod Moskwą – napływały sprzeczne polecenia. Napominał kontrolerów z obu krajów, by uzgodnili jeden plan działania. Mimo to, jak twierdził to były jego najszczęśliwsze dni w kosmosie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Peter Andrekson i jego koledzy z Uniwersytetu Technologicznego Chalmersa w Göteborgu poinformowali o skonstruowaniu najbardziej czułego odbiornika sygnałów optycznych przesyłanych bezprzewodowo. Szwedzi osiągnęli bezprecedensową czułość niemal 1 fotonu na 1 bit danych. Udało się to dzięki nowatorskiemu podejściu do przygotowania sygnału oraz likwidacji zakłóceń w samym odbiorniku.
      Agencje kosmiczne, w miarę realizacji coraz bardziej ambitnych planów badania przestrzeni pozaziemskiej, próbują zwiększać możliwości komunikacyjne swoich satelitów. Jednak obecne radiowe systemy transmisji z trudem nadążają za rosnącymi potrzebami. Dlatego też coraz częściej mówi się o wykorzystaniu sygnałów optycznych do szybkiej transmisji danych na duże odległości. Mają bowiem tę olbrzymią zaletę, że w miarę rozchodzenia się w przestrzeni tracą znacznie mniej mocy niż sygnały radiowe. A pamiętać trzeba, że mówimy tutaj o transmisjach na olbrzymich dystansach. Żeby jednak przyspieszyć transmisję danych optycznych potrzebne są jak najbardziej czułe odbiorniki, które wymagają użycia jak najmniejszej liczby fotonów do przekazania bitu informacji.
      Zespół Andreksona stworzył nową architekturę, w ramach której dane są najpierw kodowane w sygnałową falę światła, następnie jest ona łączona z falą ciągłą o różnych częstotliwościach. Gdy takie fale przechodzą przez nieliniowy światłowód generują trzecią falę. W końcu wszystkie te fale zostają wzmocnione i wysłane w kierunku odbiornika. Sygnał przechwytywany jest przez światłowód i trafia do wzmacniacza fazoczułego. Ostatecznie sygnał trafia do standardowego odbiornika, gdzie oryginalna informacja zostaje odzyskana.
      Obecnie najbardziej zaawansowane bezprzewodowe systemy komunikacji optycznej pozwalają na przekazywanie danych z prędkością poniżej 1 Gb/s i wymagają do pracy niezwykle niskich temperatur. Urządzenie Andreksona osiąga czułość niemal 1 fotonu na 1 bit w temperaturze pokojowej, pozwalając na transmisję danych z prędkością dochodzącą do 10,5 Gb/s. Ponadto, jako że system wykorzystuje proste techniki modulacji sygnału, jego przetwarzania i korekcji błędów, może z łatwością być skalowany do większych prędkości.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Niemieccy naukowcy poinformowali o dokonaniu najbardziej precyzyjnych pomiarów masy jądra deuteru – deuteronu. Pomiary przeprowadzono porównując masę deuteronu do masy jądra węgla 12. To bardzo ważne niezależne sprawdzenie wcześniejszych pomiarów, które dały niejednoznaczne wyniki. Poznanie dokładnej prostego jądra atomowego, jak wodór, deuter, tryt, jonów H2+ i HD+ jest niezwykle ważne z punktu widzenia badań podstawowych. Pozwala to np. przetestować podstawowe teorie fizyczny, jak elektrodynamikę kwantową. Z kolei masa deuteronu może zostać użyta do precyzyjnego określenia masy neutronu, co z kolei ma fundamentalne znaczenie dla metrologii, fizyki atomowej, molekularnej i badań nad neutrinami.
      Precyzyjnych pomiarów tego typu często dokonuje się za pomocą pułapek Penninga, które wykorzystują silne pola magnetyczne i elektryczne do uwięzienia cząstek. Cząstka taka po uwięzieniu oscyluej w określonej częstotliwości, która zależy od jej masy. Cięższe cząstki oscylują wolniej niż lżejsze. Jeśli więc do tej samej pułapki złapiemy dwa jony o różnych masach, to dzięki pomiarom ich oscylacji możemy poznać stosunek ich mas z bardzo wysoką precyzją (dochodzącą jednej do 8,5 x 10-12).
      Uczeni z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka, Uniwersytetu Johannesa Gutenberga, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research oraz Helmholtz Institute w Moguncji wykorzystali specjalny kriogeniczny spektrometr mas wyspecjalizowany w pomiarach mas lekkich jonów. Urządzenie o nazwie LIONTRAP składa się z serii pułapek Penninga. Jest wśród nich wysoce precyzyjna pułapka korzystająca z siedmiu elektrod oraz dwie przylegające pułapki-magazyny. Całość poddana jest działaniu homogenicznego pola magnetycznego o natężeniu 3,8 tesli, znajduje się w niemal idealnej próżni (o ciśnieniu mniejszym niż 10-17 mbar) i w temperaturze około 4 kelwinów.
      Deuteron najpierw trafił do pułapki-magazynu, a następnie został umieszczony w wysoce precyzyjnej pułapce. Tam zmierzono jego oscylacje i porównano je z oscylacjami jonu węgla-12. Na tej podstawie stwierdzono, że masa deuteronu wynosi 2.013553212535(17) jednostek atomowych. Liczba w nawiasie oznacza niepewność pomiaru ostatnich cyfr. Masa jonu HD+ określona tą samą metodą została oszacowana na 3.021378241561(61) jednostek atomowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z MIT opracowali kwantowy „ściskacz światła”, który redukuje szum kwantowy w laserach o 15%. To pierwszy taki system, który pracuje w temperaturze pokojowej. Dzięki temu możliwe będzie wyprodukowanie niewielkich przenośnych systemów, które będzie można dobudowywać do zestawów eksperymentalnych i przeprowadzać niezwykle precyzyjne pomiary laserowe tam, gdzie szum kwantowy jest obecnie poważnym ograniczeniem.
      Sercem nowego urządzenia jest niewielka wnęka optyczna znajdująca się w komorze próżniowej. We wnęce umieszczono dwa lustra, z których średnia jednego jest mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Większe lustro jest zamontowane na sztywno, mniejsze zaś znajduje się na ruchomym wsporniku przypominającym sprężynę. I to właśnie kształt i budowa tego drugiego, nanomechanicznego, lustra jest kluczem do pracy całości w temperaturze pokojowej. Wpadające do wnęki światło lasera odbija się pomiędzy lustrami. Powoduje ono, że mniejsze z luster, to na wsporniku zaczyna poruszać się w przód i w tył. Dzięki temu naukowcy mogą odpowiednio dobrać właściwości kwantowe promienia wychodzącego z wnęki.
      Światło lasera opuszczające wnękę zostaje ściśnięte, co pozwala na dokonywanie bardziej precyzyjnych pomiarów, które mogą przydać się w obliczeniach kwantowych, kryptologii czy przy wykrywaniu fal grawitacyjnych.
      Najważniejszą cechą tego systemu jest to, że działa on w temperaturze pokojowej, a mimo to wciąż pozwala na dobieranie parametrów z dziedziny mechaniki kwantowej. To całkowicie zmienia reguły gry, gdyż teraz będzie można wykorzystać taki system nie tylko w naszym laboratorium, które posiada wielkie systemy kriogeniczne, ale w laboratoriach na całym świecie, mówi profesor Nergis Mavalvala, dyrektor wydziału fizyki w MIT.
      Lasery emitują uporządkowany strumień fotonów. Jednak w tym uporządkowaniu fotony mają pewną swobodę. Przez to pojawiają się kwantowe fluktuacje, tworzące niepożądany szum. Na przykład liczba fotonów, które w danym momencie docierają do celu, nie jest stała, a zmienia się wokół pewnej średniej w sposób, który jest trudny do przewidzenia. Również czas dotarcia konkretnych fotonów do celu nie jest stały.
      Obie te wartości, liczba fotonów i czas ich dotarcia do celu, decydują o tym, na ile precyzyjne są pomiary dokonywane za pomocą lasera. A z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że nie jest możliwe jednoczesne zmierzenie pozycji (czasu) i pędu (liczby) fotonów.
      Naukowcy próbują radzić sobie z tym problemem poprzez tzw. kwantowe ściskanie. To teoretyczne założenie, że niepewność we właściwościach kwantowych lasera można przedstawić za pomocą teoretycznego okręgu. Idealny okrąg reprezentuje równą niepewność w stosunku do obu właściwości (czasu i liczby fotonów). Elipsa, czyli okrąg ściśnięty, oznacza, że dla jednej z właściwości niepewność jest mniejsza, dla drugiej większa.
      Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy realizują kwantowe ściskanie są systemy optomechaniczne, które wykorzystują lustra poruszające się pod wpływem światła lasera. Odpowiednio dobierając właściwości takich systemów naukowcy są w stanie ustanowić korelację pomiędzy obiema właściwościami kwantowymi, a co za tym idzie, zmniejszyć niepewność pomiaru i zredukować szum kwantowy.
      Dotychczas optomechaniczne ściskanie wymagało wielkich instalacji i warunków kriogenicznych. Działo się tak, gdyż w temperaturze pokojowej energia termiczna otaczająca system mogła mieć wpływ na jego działanie i wprowadzała szum termiczny, który był silniejszy od szumu kwantowego, jaki próbowano redukować. Dlatego też takie systemy pracowały w temperaturze zaledwie 10 kelwinów (-263,15 stopni Celsjusza). Tam gdzie potrzebna jest kriogenika, nie ma mowy o niewielkim przenośnym systemie. Jeśli bowiem urządzenie może pracować tylko w wielkiej zamrażarce, to nie możesz go z niej wyjąć i uruchomić poza nią, wyjaśnia Mavalvala.
      Dlatego też zespół z MIT pracujący pod kierunkiem Nancy Aggarval, postanowił zbudować system optomechaczniczny z ruchomym lustrem wykonanym z materiałów, które absorbują minimalne ilości energii cieplnej po to, by nie trzeba było takiego systemu chłodzić. Uczeni stworzyli bardzo małe lustro o średnicy 70 mikrometrów. Zbudowano je z naprzemiennie ułożonych warstw arsenku galu i arsenku galowo-aluminowego. Oba te materiały mają wysoce uporządkowaną strukturę atomową, która zapobiega utratom ciepła. Materiały nieuporządkowane łatwo tracą energię, gdyż w ich strukturze znajduje się wiele miejsc, gdzie elektrony mogą się odbijać i zderzać. W bardziej uporządkowanych materiałach jest mniej takich miejsc, wyjaśnia Aggarwal.
      Wspomniane wielowarstwowe lustro zawieszono na wsporniku o długości 55 mikrometrów. Całości nadano taki kształt, by absorbowała jak najmniej energii termicznej. System przetestowano na Louisiana State University. Dzięki niemu naukowcy byli w stanie określić kwantowe fluktuacje liczby fotonów względem czasu ich przybycia do lustra. Pozwoliło im to na zredukowanie szumu o 15% i uzyskanie bardziej precyzyjnego „ściśniętego” promienia.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...