Los rayos retráctiles pueden existir solo en ciencia ficción, pero efectos similares están funcionando en el mundo real en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST.
Después de miniaturizar con éxito tanto los relojes como los magnetómetros basándose en las propiedades de los átomos individuales, los físicos del NIST ahora han recurrido a los giroscopios de precisión, que miden la rotación.
El equipo del NIST ha demostrado un diseño de giroscopio atómico compacto que, con un mayor desarrollo, podría ser portátil, de baja potencia y lo suficientemente preciso para ser utilizado para la navegación. Los giroscopios, tradicionalmente basados en componentes mecánicos que giran o vibran, son comunes en la navegación.aplicaciones y se utilizan cada vez más en la electrónica de consumo, como los teléfonos inteligentes. El nuevo dispositivo NIST podría encontrar usos en aplicaciones que requieren una navegación ultraprecisa con límites extremos de tamaño, peso y potencia, como en naves espaciales o submarinos.
Como beneficio adicional, el giroscopio NIST también puede medir simultáneamente la aceleración. Una combinación de giroscopio / acelerómetro permite la navegación por "estima", sin referencia a puntos de referencia externos o estrellas.
La cámara de átomos de vidrio del giroscopio del NIST tiene un tamaño de solo 3,5 centímetros cúbicos. Toda la configuración experimental, incluidos los láseres y la óptica de baja potencia, tiene actualmente el tamaño de una mesa, pero los investigadores del NIST pretenden reducir todo el aparato a un cubo portátil sobre eltamaño de un mini refrigerador.
descrito en Letras de física aplicada , el giróscopo NIST es un interferómetro atómico. Se basa en una nube en expansión de átomos enfriados por láser, una técnica demostrada originalmente en la Universidad de Stanford en una "fuente" de átomos de 10 metros de altura. La interferometría óptica tradicional implica combinar o"interfiriendo" las ondas electromagnéticas en la luz y luego extrayendo información sobre las trayectorias de luz originales a partir de los patrones de onda resultantes. De manera similar, los interferómetros atómicos, aprovechando el hecho de que los átomos actúan como partículas y ondas, interfieren en estas ondas para medir las fuerzasen los átomos. Cuando los átomos se aceleran o rotan, sus ondas de materia se desplazan e interfieren de formas predecibles, visibles en patrones de interferencia.
El corazón del giroscopio NIST es una pequeña cámara de vidrio que contiene una muestra de aproximadamente 8 millones de átomos fríos de rubidio que quedan atrapados y liberados. Mientras los átomos caen bajo la gravedad, un rayo láser hace que cambien entre dos estados de energía. Este procesoimplica la absorción y emisión de partículas de luz, lo que da impulso a los átomos y hace que sus ondas de materia se separen y luego se recombinen para interferir.
La nube de átomos fríos se expande hasta 5 veces su tamaño inicial durante la secuencia de medición de 50 milisegundos milésimas de segundo, lo que crea una correlación entre la velocidad de cada átomo y su posición final. Las rotaciones se simulan inclinando un espejo debajoEl efecto de interferencia en un átomo depende de su velocidad, por lo que las rotaciones generan bandas de átomos que interfieren en las imágenes de la nube final.
Las imágenes de los átomos se obtienen al hacer brillar un segundo rayo láser débil a través de la nube. Debido a que los átomos en diferentes estados de energía absorben luz de diferentes frecuencias, se puede detectar el estado de energía final de los átomos. Las imágenes resultantes muestran bandas de interferencia de poblaciones de átomosen los dos estados de energía diferentes. La velocidad de rotación y el eje de rotación se miden analizando el espaciado y la dirección de las bandas de interferencia a través de la nube de átomos. La aceleración se deduce de los cambios en la banda central. El interferómetro es sensible a la aceleración a lo largo de la dirección dela luz y sensible a las rotaciones perpendiculares a la luz.
"Por lo general, una combinación de giroscopio / acelerómetro requiere dos fuentes separadas de átomos", dijo la líder del proyecto Elizabeth Donley. "La versión NIST recibe ambas señales simultáneamente de una única nube de átomos en expansión, un enfoque que en última instancia puede conducir a dispositivos mucho más simples. "
Los giroscopios atómicos generan menos sesgo o señal cuando no giran, un tipo de error que los giroscopios de precisión convencionales, que usan láseres de anillo. El sistema NIST no solo es más pequeño sino también más simple que otros interferómetros de átomos similares.
El grupo de investigación del NIST ha estado trabajando en varios diseños de minigiroscopios durante una década. En años anteriores, han despertado interés en minigiroscopios para su uso en lugares donde la navegación por satélite se ve comprometida debido a interferencias no intencionales o interferencias intencionales.
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Materiales proporcionados por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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