Физики из Германии, США и Канады разработали портативный атомный гравиметр — прибор для точного измерения сил гравитации. Устройство основано на интерференции атомов в конденсате Бозе-Эйнштейна, свободно падающих в поле силы тяжести. Размеры прибора примерно соответствуют коробке от обуви, а точность всего в 10 раз меньше, чем у массивных и малоподвижных аналогов. Ученые отмечают, что если внести ряд усовершенствований, то атомный гравиметр сможет измерять ускорение свободного падения с точностью до миллиардных долей величины. Подобные измерения помогут в разведке месторождений руды и карстовых полостей. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Гравиметры используются для анализа вариаций силы притяжения в разных точках Земли. Традиционно такие приборы основаны на исследовании движения тел в гравитационном поле: измерении времени свободного падения или частоты колебаний пружинных маятников. Более современные приборы используют для анализа левитацию сверхпроводящих колец (эффект Мейсснера) и атомную интерферометрию. Точность измерений абсолютной величины ускорения таких гравиметров достигает десятимиллиардных ее долей. 

Схема установки. S. Abend еt al. / PRL, 2016

Рабочим телом в атомных гравиметрах является бозе-эйнштейновский конденсат — облако холодных атомов (доли кельвина), сжатых настолько, что их волновые функции перекрываются и все они ведут себя как единая квантовая система. Такой конденсат с помощью лазерного импульса пускают в свободное падение по двум плечам (каналам). При этом начальная скорость конденсата в этих каналах отличалается на заранее известную величину (она равна «отдаче» от импульса). В точке пересечения происходит явление интерференции. Волновые функции атомов будут складываться и результат этого сложения будет зависеть от разности фаз, внесенной разностью скоростей. А эта величина напрямую зависит от ускорения свободного падения.

Размеры таких установок сопоставимы с ростом человека — из-за этого они маломобильны и их нельзя применять в полевых исследованиях. Авторы новой работы нашли способ миниатюризировать атомные гравиметры, использовав для этого так называемые атомные чипы и многократное повторение свободного падения. 

В основе экспериментальной установке находится «атомный чип» — портативное устройство, способное генерировать облако бозе-эйнштейновского конденсата. Облако в чипе содержало 10 тысяч атомов рубидия, охлажденных до 50 нанокельвин и захваченных магнитной ловушкой. Для начала измерения на облако направляли специально подготовленный лазерный импульс, изменявший магнитное состояние ровно половины атомов. Этот же импульс придавал им дополнительную начальную скорость. 

Атомы пролетали около одного сантиметра — между запуском свободного падения и измерительным импульсом успевало пройти около 10 миллисекунд. Ученые нашли способ увеличить это время, используя дополнительный импульс лазера, подбрасывающий конденсат почти к исходному положению. В совокупности с повторением разделяющего лазерного импульса и последующим падением время эксперимента увеличивалось до 50 миллисекунд. 

Точность измерений с помощью портативного гравиметра оказалась примерно в 10 раз меньше, чем у полноразмерных приборов — 1,7×10−7 ускорения свободного падения. Без обратного подбрасывания точность измерения была примерно в 100 раз хуже (статистика набиралась в течение восьми часов). По словам авторов, использование более совершенных атомных чипов (генерирующих конденсат из 100 тысяч атомов) и оборудования, портативный прибор может достигнуть точности миллиардных долей ускорения.

Величина гравитационных аномалий измеряется в галах — сотых долях метра в секунду в квадрате. Величина ускорения свободного падения в этих единицах равна примено 980 гал. Типичная точность гравиметров соответствует десяткам и сотням микрогал. Чтобы оценить размер этой величины, можно указать, что прирост ускорения свободного падения из-за дополнительной массы в один килограмм на глубине одного метра под землей составляет 0,007 микрогал. Вариации ускорения свободного падения из-за воздействия Луны составляют 24000 микрогал. Горы и моря вызывают региональные аномалии с величиной в сотни тысяч микрогал, разброс ускорения свободного падения между полюсами и экватором составляет несколько миллионов микрогал. Точность оптимизированного прибора, предлагаемого физиками, может достигнуть величин меньше одного микрогала.

Автор: Владимир Королёв