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团队创建并演示了首款用于卫星重力分析的量子传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2020/12/16

此图像演示了goddard-aosense团队对原子路径的控制。在此演示中,他们操纵了路径以形成缩写nasa。图片来源:aosense,inc.

nasa和总部位于加利福尼亚州桑尼维尔的aosense公司已成功构建并展示了一种量子传感器原型,该量子传感器能够获得高度灵敏且精确的重力测量值,这是迈向下一代大地测量,水文学和气候监测任务的垫脚石。


该原型传感器与美国国家航空航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心合作开发,采用了一种革命性的测量技术,称为原子干涉测量技术,这是美国前能源部部长朱secretary文及其同事在1980年代后期发明的。1997年,chu因其工作获得了诺贝尔物理学奖。


自发现以来,全世界的研究人员都在尝试构建实用,紧凑,更灵敏的量子传感器,例如原子干涉仪,科学家可以在空间受限的区域(包括航天器)中使用。


在nasa的小型企业创新研究,仪器孵化器和goddard的内部研究与开发计划的资助下,goddard-aosense团队开发了一种原子光学重力梯度仪,主要用于绘制地球随时间变化的引力场。尽管地球引力场发生变化的原因多种多样,但最主要的原因是水质的变化。如果冰川或冰盖融化,将影响质量分布,从而影响地球的引力场


戈达德光学物理学家和合作者babak saif说:“我们的传感器比具有相似灵敏度目标的竞争传感器要小。” “以前的基于原子干涉仪的仪器所包含的组件实际上会填满整个房间。与之相比,我们的传感器紧凑而高效。它可以在航天器上使用,以获取用于理解地球水循环及其响应的非凡数据集。实际上,这种传感器是未来在各种科学领域进行的nasa任务的候选人。”


原子干涉仪的工作原理与光学干涉仪非常相似,光学干涉仪是一种具有200年历史的技术,在科学和工业领域用于测量物体的微小位移。光学干涉仪通过比较在两个不同路径之间分离的光来获得测量值。当来自这两个路径的光束重新组合时,它们会产生干涉条纹图案,科学家可以对其进行检查以获得高精度的测量结果。

goddard-aosense团队制造了这款地面概念验证重力梯度仪。图片来源:aosense,inc.

但是,原子干涉法取决于量子力学,该理论描述了物质在亚微观尺度下的行为。对重力信号高度敏感的原子也可以像光波一样被哄骗起来。特殊的脉冲激光可以分裂和操纵原子波以传播不同的路径。一旦两个波复合,两个原子波将与重力相互作用,从而影响产生的干涉图样。科学家然后可以分析这种模式,以获得对重力场的极其精确的测量。


特别是,该团队正在将其量子传感器视为一种潜在技术,以收集nasa重力恢复和气候实验(grace)后续任务当前产生的数据类型。grace-fo是一项由两颗卫星组成的任务,每月生成一次重力图,以显示质量如何分布以及质量如何随时间变化。戈达德光学专家李·费恩伯格说,由于其非凡的精确性,如果将量子传感器部署在互补轨道的第二颗卫星上,则可以消除对双卫星系统的需求,甚至可以提供更高的精度。


戈达德的科学家,诺贝尔奖获得者约翰·马瑟说:“借助这项新技术,我们可以测量由于冰盖融化,干旱和地下水供应排水而引起的地球重力变化,从而极大地改善了grace的开创性任务。”因在nasa的“宇宙背景探索器”上的工作而获得物理学奖,该发现有助于巩固宇宙的大爆炸理论。


但是,该仪器可用于回答其他科学问题。


“当我们发送探测器探访行星,卫星,小行星和彗星时,我们可以测量它们的内部结构。这项技术是如此强大,甚至可以扩展来自遥远黑洞的诺贝尔奖引力波的测量结果,并观察到新的频率范围,”马瑟说,指的是在2015年确认的宇宙引力波。从字面上看,时空结构中的波纹会向各个方向辐射,就像石头扔进池塘一样。自最初确认以来,激光干涉仪引力波天文台和欧洲处女座探测器已经探测到其他事件。


自2004年以来,aosense已开发了量子传感器和原子钟,具有广泛的专业知识和能力,涵盖了用于精确导航和计时的高级传感器的开发和表征的各个方面。


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