Переносний атомний гравіметр побачив у місті підземний тунель

Британські фізики виготовили надточний атомний гравіметр, здатний виявляти підземні приповерхневі порожнечі субметрового розміру. Вчені успішно випробували його в міських умовах, виявивши під землею тунель двометрової ширини. Їх розробка буде корисна в геології, геодезії та археології. Дослідження опубліковано в.

Атомні інтерферометри використовують властивості атомів поводитися подібно до хвилі за певних умов. Ці прилади чутливі до фази коливань атомних хвильових функцій, на яку може впливати напруженість гравітаційного поля. Це призвело до створення датчиків градієнта квантової гравітації, які допомогли точніше виміряти силу тяжкості, гравітаційну постійну і постійну тонкої структури і перевірити принцип еквівалентності.

Чутливість атомної інтерферометрії до гравітації спонукала дослідників використовувати її поза лабораторіями для геологічних, геодезичних і кліматичних досліджень. Мобільні атомні гравіметри показали свою працездатність у горах, у повітрі, на морі і навіть у космосі. Їх проблемою залишається шум, викликаний мікросейсмічним вібраціями, який сильно обмежує вирішальну здатність приладів.

Група британських фізиків під керівництвом Кай Бонгс (Kai Bongs) і Майкла Холінскі (Michael Holynski) з Бірмінгемського університету повідомили про створення атомного гравіметра, здатного вловлювати зміни в прискоренні вільного падіння, викликаної неоднорідностями субметрового масштабу. Вчені продемонстрували працездатність приладу в міських умовах, виявивши під землею тунель.

Звичний оптичний інтерферометр заснований на поділі світлового пучка на дві частини з подальшим їх об'єднанням. Як правило, фізики використовують для цього платівки, які частково відображають, а частково пропускають світло. Схожим чином працює і нейтронний інтерферометр, де роль ділителів і аналізаторів відіграють кристали, що змінюють напрямок частинок за рахунок дифракції Брегга.

Робота атомних інтерферометрів також заснована на бреггівській дифракції, тільки не на кристалах, а на оптичних решітках, які утворюються в потрібних момент на перетині лазерних променів. Самі атоми при цьому рухаються в режимі вільного падіння. Встановлення налаштоване таким чином, щоб відразу після об'єднання атоми випромінювали світло. Розподіл сигналу атомної флуоресценції дає фізикам інформацію про фазові співвідношення між двома атомними траєкторіями.

Щоб уникнути систематичних помилок і вібраційного шуму, автори нової роботи використовували два таких інтерферометри, розділених висотою в один метр. При одночасному вимірі обидві частини установки відчувають однакові похибки, які взаємно віднімаються при обчисленні градієнтного сигналу (тобто різниці в прискореннях вільного падіння, поділеної на відстань між інтерферометрами). За допомогою атомів рубідію, охолоджених до декількох мікрокельвін, фізикам вдалося домогтися невизначеності у вимірі цієї величини в лабораторних умовах, що дорівнює 1,3 ¹⁰-8 зворотних секунд у квадраті.

Головним результатом роботи фізиків стала збірка мобільної установки. Вона показала статистичну невизначеність, що дорівнює 2 ¹⁰-8 зворотних секунд у квадраті за 10 хвилин вимірювання. Вчені продемонстрували її працездатність на міській ділянці між двома багатоповерховими будівлями, під якою було прокладено тунель із перетином 2 ст.12 метра і залізобетонною стіною товщиною 0,2 метра. Вимірювання відбувалося вздовж лінії довжиною 8,5 метра перпендикулярно тунелю з кроком у півметра.

Гравіметричний сигнал мав яскраво виражений провал, коли прилад знаходився рівно над тунелем. Фізики змоделювали його на основі даних про місцеві будівлі і рельєф, перевірених за допомогою георадара і топографічного сканування. Результати моделювання виявилися в хорошій згоді з вимірюванням.

У реальних пошукових завданнях у вчених не буде інформації про те, що саме лежить під землею. Тому автори також розробили метод, який за даними приладу будує ймовірнісний розподіл пустот під поверхнею (probability of excavation), з урахуванням властивостей ґрунту. У майбутньому ці напрацювання дозволять досліджувати властивості ґрунту, наприклад, вологість, виявляти ерозійні ділянки і водоносні горизонти. Також дослідження будуть корисні при огляді покинутих приповерхневих комунікацій, а також виявляти гробниці або приховані камери при археологічних роботах.

Від редактора

У початковому варіанті замітки була присутня фраза «» гравіметра, здатного вловлювати зміни гравітаційної постійної «». Малися на увазі зміни в прискоренні вільного падіння. Приносимо вибачення читачам.

Раніше схожий прилад вже допоміг фізикам виявити гравітаційний ефект Ааронова - Бома. Іншим підходом до атомної гравіметрії став атомний годинник. Нещодавно з їх допомогою вчені виявили різність перебігу часу на перепаді висот всього в один міліметр.