NASA och Sunnyvale, Kalifornienbaserade AOSense, Inc., har framgångsrikt byggt och demonstrerat en prototyp kvantgivare som kan erhålla mycket känsliga och noggranna gravitationsmätningar-ett steg mot nästa generations geodesi, hydrologi, och klimatövervakningsuppdrag i rymden.

Prototypsensorn, utvecklat i samarbete med NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, använder en revolutionerande mätteknik som kallas atominterferometri, som tidigare amerikanska energidepartementets sekreterare Steven Chu och hans kollegor uppfann i slutet av 1980 -talet. 1997, Chu fick Nobelpriset i fysik för sitt arbete.

Sedan upptäckten, forskare över hela världen har försökt bygga praktiska, kompakt, mer känsliga kvantsensorer, såsom atominterferometrar, som forskare kan använda i rymdbegränsade områden, inklusive rymdfarkoster.

Med finansiering från NASAs Small Business Innovation Research, Instrumentinkubator, och Goddards program för intern forskning och utveckling, Goddard-AOSense-teamet utvecklade en atom-optisk gravitationsgradiometer i första hand för att kartlägga jordens tidsvarierande gravitationsfält. Även om jordens gravitationsfält förändras av olika anledningar, den viktigaste orsaken är en förändring av vattenmassan. Om en glaciär eller ett isark smälter, detta skulle påverka massdistributionen och därför jordens gravitationsfält

"Vår sensor är mindre än konkurrerande sensorer med liknande känslighetsmål, "sa Babak Saif, en Goddard optisk fysiker och samarbetspartner i arbetet. "Tidigare atominterferometerbaserade instrument inkluderade komponenter som bokstavligen skulle fylla ett rum. Vår sensor, i dramatisk jämförelse, är kompakt och effektiv. Den kan användas på en rymdfarkost för att få en extraordinär datamängd för att förstå jordens vattencykel och dess reaktion på klimatförändringar. Faktiskt, sensorn är en kandidat för framtida NASA -uppdrag inom en mängd olika vetenskapliga discipliner. "

Atominterferometri fungerar ungefär som optisk interferometri, en 200 år gammal teknik som används inom vetenskap och industri för att mäta små förskjutningar i föremål. Optisk interferometri får mätningar genom att jämföra ljus som har delats mellan två olika vägar. När strålarna från dessa två vägar rekombineras, de skapar ett störningsmönster som forskare inspekterar för att få mycket exakta mätningar.

Atominterferometri, dock, beror på kvantmekanik, teorin som beskriver hur materia beter sig i submikroskopiska skalor. Atomer, som är mycket känsliga för gravitationella signaler, kan också lockas till att bete sig som ljusvågor. Speciella pulserande lasrar kan dela och manipulera atomvågor för att färdas olika vägar. De två atomvågorna kommer att interagera med gravitationen på ett sätt som påverkar interferensmönstret som produceras när de två vågorna rekombineras. Forskare kan sedan analysera detta mönster för att få ett utomordentligt exakt mått på gravitationens fält.

Särskilt, laget ser på sin kvantsensor som en potentiell teknik för att samla in den typ av data som för närvarande produceras av NASA:s Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) uppföljningsuppdrag. GRACE-FO är ett uppdrag med två satelliter som har genererat månatliga gravitationskartor som visar hur massan fördelas och hur den förändras över tiden. På grund av sin extraordinära precision, kvantsensorn kan eliminera behovet av ett tvåsatellitsystem eller ge ännu större noggrannhet om den används på en andra satellit i en komplementär bana, sa Lee Feinberg, en Goddard -optiksexpert också involverad i insatsen.

"Med denna nya teknik, vi kan mäta förändringarna av jordens gravitation som kommer från smältande islock, torka, och tömning av underjordiska vattenförsörjningar, förbättrar kraftigt det banbrytande GRACE -uppdraget, "sade John Mather, en Goddard-forskare och vinnare av Nobelpriset i fysik 2006 för sitt arbete med NASA:s Cosmic Background Explorer som hjälpte till att cementera universums big-bang-teori.

Instrumentet, dock, kan användas för att svara på andra vetenskapliga frågor.

"Vi kan mäta planets inre struktur, månar, asteroider, och kometer när vi skickar sonder för att besöka dem. Tekniken är så kraftfull att den till och med kan förlänga de nobelvinnande mätningarna av gravitationella vågor från avlägsna svarta hål, observera vid ett nytt frekvensområde, "Mather sa, med hänvisning till bekräftelsen 2015 av kosmiska gravitationsvågor - bokstavligen, krusningar i tyget av rymdtid som strålar ut i alla riktningar, ungefär som vad som händer när en sten kastas i en damm. Sedan den första bekräftelsen Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory och European Virgo -detektorerna har upptäckt andra händelser.

Sedan 2004 har AOSense har utvecklat kvantgivare och atomur, med bred kompetens och kapacitet som spänner över alla aspekter av utveckling och karakterisering av avancerade sensorer för precisionsnavigering och timing.