Ett problem vid hanteringen av massförstörelsevapen är att de är väl gömda. Nyckeln till att hitta dem kan vara att ändra de metoder vi använder för att leta. En sådan metod är att ta form i ett labb i källaren i Small Hall på William &Mary.

"I grund och botten, vi gör det så att du kan se det du inte kan se, sa Seth Aubin, docent i fysik vid William &Mary.

Aubin erhöll nyligen ett bidrag från det amerikanska försvarsdepartementets Defense Threat Reduction Agency för att utveckla en ny typ av instrument som kan upptäcka dold infrastruktur för massförstörelsevapen.

"Byrån är särskilt intresserad av att hitta underjordiska fabriker eller missilsilon, sådana saker, "Aubin sa, "men du kan också använda den för att upptäcka ubåtar eller till och med hitta smugglingstunnlar och grottor."

För att se det osynliga, Aubin säger, vi måste först ompröva vad det innebär att se ut. Det mänskliga ögat är utformat för att bearbeta ljus - eller, när du pratar partikelfysik, fotoner. När vi hänvisar till något som "synligt, "Aubin förklarar, det betyder vanligtvis att fotonerna som studsar av den saken rör sig vid en våglängd våra ögon kan bearbeta och därför se.

Men vad skulle hända om vi ändrade vår tolkning av "se" för att redogöra för något annat än ljus? Aubin syftar till att göra just det:hitta det osynliga när det gäller ljus, men synlig i massa.

Aubin och hans team (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, Ph.D. kandidaterna Andrew Rotunno och Shuangli Du, och personalvetaren Doug Beringer) utvecklar en enhet som använder ultrakylda atomer för att upptäcka snedvridningar i jordens gravitationsfält och "se" med hjälp av materia istället för ljus.

"Fotoner är inte så känsliga för gravitation, "Aubin sa." Saker som är känsliga för gravitation är saker som har massa. Ju tyngre det är, ju känsligare det är och atomer är mycket tyngre än fotoner. "

Tanken är att efterlikna processen med optisk interferometri, ett exakt sätt att göra mätningar genom att övervaka den konstruktiva och destruktiva störningen som produceras av ljusets våglängder. Detta är hur ett globalt team av forskare, inklusive flera från William &Mary, kunde upptäcka gravitationella vågor för första gången, en prestation värd Nobelpriset.

"I grund och botten, du tar en ljusstråle och får den att gå längs två vägar, "Aubin sa." En väg kommer att vara närmare något och dess väg kommer att förvrängas av gravitationen. När strålarna rekombineras, du läser av fasskillnaden och det kan berätta mycket om vad som finns där ute. Vi gör samma sak, utom med atomer istället för fotoner. "

Det är helt logiskt om vi lämnar vår bekväma värld av newtonsk fysik och går in i kvantmekanikens område, där massa och energi är utbytbara, och all materia beter sig som en våg på atomnivå.

"Tanken är att använda denna metod för att mäta jordens gravitationsfält till en vansinnig precision, låt oss säga del per miljard, "Aubin sa." Det betyder att du mäter ett tal som är nio siffror långt. All information finns i den sista siffran. Den sista siffran berättar variationen i gravitationsfältet. Det som får det att variera är massan, massa som saknas, som en tunnel eller en grotta, eller massa som är extra, som olja eller järn eller uranmalm. "

Det visar sig att om du vill bli vansinnigt exakt, du måste först bli vansinnigt kall. Labbet använder atomer som kyls till ungefär en mikrokelvin temperatur, nära absolut noll, den lägsta temperaturen teoretiskt möjligt. Faktiskt, forskarna använder det kallaste objektet i universum, kondensatet Bose – Einstein, för att kalibrera sina instrument.

"En av anledningarna till att vi blir så kalla är att du inte behöver leta efter kvantmekaniken, det kommer att leta efter dig, "Sa Aubin." Materien börjar bete sig som en våg, oavsett om du gillar det eller inte."

Just nu, teamet arbetar med superkalla rubidium- och kaliumatomer, som kyls med hjälp av en rad noggrant placerade lasrar. Nästan hälften av labutrymmet är avsett för ett linsbord, speglar och annan optik. De är alla inriktade på att skapa den perfekta laserstrålen, som transporteras till ett atom-zapping-område via fiberoptisk kabel.

"När du först tittar på det här, det ser ut som en gigantisk röra, "Aubin sa, står bredvid optikbordet. "Det är inte rörigt, det är väldigt välorganiserat. För en stor bråkdel av elementen här, om du flyttar dem 10 till 100 mikron, ingenting kommer att fungera. "

Aubin jämför laserljusfotoner med snöbollar. En snöboll är kall invändigt, men när det lobbar dig fram och slår mot din hud, det känns varmt. Det beror på att snöbollen hade mycket rörelseenergi. Fotonerna i laserstrålar har också mycket energi, och, som en snöboll, är kallt internt.

"Laserfotoner är mycket energiska, så om du inte är smart om hur du interagerar laserljus med material, det blir varmt, "Aubin sa, "men om du är smart om hur du interagerar med det, du kommer faktiskt att överföra fotons kyla till något annat, I detta fall, våra atomer. "

När atomerna har svalnat, de hålls i en fälla innan de överförs till ett kvadrat-tums mikrochip, som stöder ett magnetiskt magnetfält. Fältet kommer att arbeta för att skicka atomerna längs två separata vägar innan de förs samman igen, varefter forskarna kommer att mäta atomvåglängderna för konstruktiv eller destruktiv interferens.

"Chippet är där all fysik händer, "Aubin sa, "men för att få fysiken att hända, du behöver ett helt utrustningsrum. "

Än så länge, laget har framgångsrikt ändrat rotationsriktningen för två atomer, men de har ännu inte skickat atomerna längs två separata vägar. En inlärningskurva som är större än väntat kan delvis vara skyldig.

"Det visar sig att mikrovågor är en slags elektroteknikens mörka konst, "Sa Aubin." Det är svårt nog att det inte ens lärs fysiker, så vi lär oss mikrovågsteknik när vi går. "

Ett team av grundstudenter håller på att utforma mikrovågskretsarna för att driva chipet. De har fått göra det mesta av tillverkningen internt, Aubin sa, gestikulerar till högar av elektronik utspridda runt labbet.

"Vi bygger det mesta vi behöver, "Aubin sa." Vanligtvis kan du inte köpa det, för det här finns bara inte. Om du gör något för första gången, du måste uppfinna dina egna verktyg. "