超冷原子傳感技術(shù)首次成功檢測太空環(huán)境變化！
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】原子干涉儀是一臺慣性質(zhì)量敏感器，它可用于油井定位、空間導(dǎo)航、引力場和加速度的精密測量等方面，因此原子干涉儀有著廣闊的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家一直在地球上利用該傳感器研究重力的基本性質(zhì)，促進(jìn)了飛機(jī)和船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。
科學(xué)家希望在太空中也能延伸應(yīng)用該技術(shù)，因為太空的微重力環(huán)境可延長測量時間，并獲得更高靈敏度。但原子干涉儀此前無法單獨在太空長時間運行。
近日，加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實驗室、美國弗吉尼亞大學(xué)、德國航空航天中心(DLR)衛(wèi)星大地測量與慣性傳感研究所、德國烏爾姆大學(xué)、法國巴黎-薩克雷大學(xué)、德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)、德國達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)、德國航空航天中心(DLR)量子技術(shù)研究所、美國加州大學(xué)伯克利分校、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、羅切斯特大學(xué)組成的研究團(tuán)隊首次使用搭載于國際空間站上的超冷原子來探測太空中周圍環(huán)境的變化。
探路者實驗是指在一個新的研究領(lǐng)域或?qū)嶒灜h(huán)境中，為了驗證技術(shù)可行性、理解實驗系統(tǒng)的特性、確定最佳操作參數(shù)、評估潛在的挑戰(zhàn)和風(fēng)險，而進(jìn)行的一系列初步實驗。這些實驗的目的是為后續(xù)更深入、更系統(tǒng)的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)，探索和開辟新的研究方向。
美國宇航局(NASA)的冷原子實驗室(Cold Atom Lab，CAL)于2018年發(fā)射，是國際空間站(ISS)上的首個此類設(shè)施，其目標(biāo)是通過在低地球軌道的微重力環(huán)境下對超冷原子進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究。該實驗室能將原子冷卻到幾乎絕對零度。在此溫度下，一些原子會形成玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)。在BEC下的原子處于相同量子態(tài)，其微觀量子特性會變得宏觀，更便于科學(xué)家開展相關(guān)研究。在微重力環(huán)境下，BEC可以達(dá)到更低溫度并存在更長時間，為科學(xué)家提供了更多研究機(jī)會。其中的原子干涉儀是利用原子的量子特性進(jìn)行精確測量的傳感器之一。
為了獲悉國際空間站振動的影響，研究團(tuán)隊利用冷原子實驗室原子干涉儀中超冷Rb-87原子進(jìn)行的探路實驗，研究了三脈沖馬赫-曾德爾干涉儀。此外，研究團(tuán)隊利用拉姆齊剪切波干涉法，在單次運行中顯示干涉圖樣，這些干涉圖樣在超過150ms的自由膨脹時間內(nèi)可觀察到。最后，使用冷原子實驗室原子干涉儀遠(yuǎn)程測量布拉格激光光子反沖，是首個在太空中使用物質(zhì)波干涉測量的量子傳感器的演示。
相關(guān)研究成果于8月13日以“Pathfinder experiments with atom interferometry in the Cold Atom Lab onboard the International Space Station”(在國際空間站冷原子實驗室中開展關(guān)于原子干涉測量的探路者實驗)為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，Jason R. Williams(第一作者)、Charles A. Sackett、Nicholas P. Bigelow為論文共同通訊作者。
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