Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har uppgraderat sitt kompakta atomgyroskop för att möjliggöra multitasking-mätmöjligheter och mäta dess prestanda, viktiga steg mot praktiska tillämpningar.

Beskrivs i en ny tidning, design- och utvärderingsprocesserna för kvantgyroskop leddes av tre kvinnor – en mycket ovanlig situation inom fysik och en källa till stolthet för projektledaren Elizabeth Donley vid NIST. Postdoktorala forskarna Yun-Jhih Chen och Azure Hansen byggde om apparaten totalt under de senaste åren.

"Vi byggde inte bara ett enkelt kvantgyroskop, men detta är första gången någon har demonstrerat samtidig mätning av rotation, rotationsvinkel och acceleration med en enda källa av atomer, " sa Donley. "Andra gyroskop, inklusive de klassiska som för närvarande används i telefoner och flygplan, kan endast mäta en rotationsaxel. Detta är också första gången vi rapporterar en känslighet för accelerations- och rotationsmätningarna."

NIST-teamet mätte tidigare rotation med en tidigare version av kvantgyroskopet. Apparaten uppgraderades för att öka signalstyrkan och datainsamlingshastigheten för att möjliggöra konkurrenskraftiga känslighetsmätningar. Forskare lade också till en algoritm för mönsterigenkänning härledd från maskininlärning för att automatiskt extrahera information från bilder av atomerna.

NIST-gyroskopet är en atominterferometer, dra nytta av att atomer kan fungera som både partiklar och vågor. Rotation och acceleration härleds från bilder av interfererande materiavågor (som visar sannolikheten för en partikels position i rymden) från atomer i två olika energitillstånd.

Atominterferometrar skulle kunna användas i navigering och geodesi (studiet av jordens form baserat på gravitationsmätningar) på grund av deras känslighet för acceleration och rotation i kombination med deras långsiktiga stabilitet och noggrannhet. Utvecklingen av små, lättvikt, atominterferometrar med låg effekt är nyckeln till att flytta instrumenten från laboratoriet till applikationer i fält.

NIST-teamet utvecklade ett förenklat schema som är tillgängligt för bärbara applikationer med en enda, litet moln av atomer som faller med bara några millimeter under mätningarna. En glaskammare bara 1 kubikcentimeter i volym innehåller cirka 10 miljoner kalla rubidiumatomer som fångas och frigörs.

För närvarande, ett optikbord i full storlek krävs för lasrarna, och några ställ med elektronik behövs också. Laseruppsättningen skulle behöva göras mer kompakt och integrerad innan gyroskopet kunde användas i fält, sa Donley. Andra forskargrupper minskar storleken på dessa lasersystem, tillade hon.

NIST-gyroskopets känslighet för storleken och riktningen av rotationsmätningarna är 0,033 grader per sekund och 0,27 grader med en sekunds medelvärdestid, respektive. Dessa resultat närmar sig de känslighetsnivåer som uppnåtts av andra forskargrupper som använder mycket större atominterferometrar, sa Donley. Dessutom, NIST-gyroskopet är unikt genom att det kan mäta rotationer längs två axlar och en acceleration längs en axel samtidigt med en enda atomkälla.

I NIST-gyroskopet, när atomerna först fångas i ett moln och sedan släpps ut för att falla under gravitationen, en laserstråle får dem att övergå mellan två energitillstånd. Denna process involverar absorption och emission av lätta partiklar, vilket ger atomerna fart och gör att deras materiavågor separeras och senare rekombinerar för att störa. När atomerna accelererar eller roterar, deras materiavågor skiftar och stör på förutsägbara sätt, synliga i bilder av det expanderade molnet.

Atomerna avbildas genom att lysa en sekund, svag laserstråle genom molnet. Eftersom atomer i olika energitillstånd absorberar ljus med olika frekvenser, bilderna visar interferensband av atompopulationer i de två olika tillstånden. Rotationshastigheten och rotationsaxeln mäts genom att analysera avståndet och riktningen för interferensbanden över atommolnet. Accelerationen mäts från förändringar i det centrala bandets position. Interferometern är känslig för acceleration längs laserstrålens riktning och känslig för rotationer vinkelrätt mot strålen.

Instrumentet kan användas som en gyrokompass, eftersom atomerna känner av rotation i planet tangentiellt mot jordens yta. Rotationssignalerna, på grund av jordens rotation, peka norrut, som är användbart vid navigering.