Новый датчик квантовой гравитации заглянул в магму под вулканами

Для измерения гравитации применяют устройства, в основе которых лежат разные принципы. Например, можно определить воздействие силы тяжести на груз, подвешенный на пружине, или измерить скорости падения объекта в вакуумной камере с помощью лазера. Но наиболее надежным и точным методом определения гравитации являются свободно падающие атомы. Именно они применяются в квантовых датчиках.

Внутри квантового датчика находится желоб, и по нему свободно падает облако сверхохлажденных атомов. На них воздействует световой импульс, который управляет двухфотонно-стимулированными рамановскими переходами в атомах и создает суперпозицию.

В результате возникают атомные волновые пакеты, движущиеся по двум пространственно разнесенным траекториям. Затем атомы рекомбинируются и создают интерференционную картину, отражающую отличия в притяжении, которое ощущали две версии каждого атома в суперпозиции. Все это и позволяет увидеть гравитационное поле в месте, где располагается облако атомов.

Главное достоинство таких датчиков в том, что свободно падающие атомы способны обнаружить тонкие вариации гравитационного притяжения Земли, которые отражают разницу в плотности материала, расположенного под датчиком. То есть новый прибор способен практически буквально заглянуть под землю. 

Высокая точность квантовых датчиков помогла проверить теорию гравитации Эйнштейна, а также измерить гравитационную постоянную Ньютона и некоторые другие фундаментальные константы.

Однако «в полевых условиях» датчики квантовой гравитации оказывались крайне чувствительны к любым вибрациям – от сейсмической активности до проехавшего неподалеку автомобиля. Из-за этого при измерениях приходилось тратить много времени на отсев фоновых данных, а потому такие устройства раньше применялись исключительно в лабораториях.

Но в новом датчике квантовой гравитации эта проблема решена за счет использования не одного, а двух свободно падающих облаков охлажденных атомов рубидия. Одна из камер с атомами расположена на метр выше другой, что позволяет измерить силу гравитации на двух разных высотах и исключить влияние фонового шума.

В эксперименте, описанном в статье для журнала Nature, квантовый датчик обнаружил гравитационную сигнатуру подземного перехода в кампусе Бирмингемского университета – бетонного тоннеля размером 2х2 м. Прибор измерял гравитационное поле каждые 0,5 м, двигаясь по земле над переходом. Его показания совпали с данными компьютерного моделирования, которое оценивало гравитационный сигнал туннеля на основе его структуры и некоторых других факторов.

По оценкам исследователей, судя по чувствительности машины в этом эксперименте, она, вероятно, могла бы обеспечить надежное измерение гравитации в каждом месте менее чем за две минуты. Это примерно одна десятая времени, необходимого для других типов датчиков гравитации.

Для эксперимента с тоннелем использовался двухметровый желоб со свободно падающими атомами, подключенный к тележке с оборудованием, причем вся конструкция весила 300 кг. Но с тех пор ученые усовершенствовали датчик и последняя версия весит около 15 кг. Также исследователи работают над мобильностью прибора, чтобы его можно было свободно перемещать на манер газонокосилки.

Предполагается, что датчики квантовой гравитации получится использовать для наблюдения за грунтовыми водами или магмой под вулканами. Также они могут быть полезны археологам для обнаружения скрытых гробниц, фермерам — для определения качества почвы, а строителям – для диагностики устойчивости грунта.