Ana Sayfa Kuantum Deneyleri Kuantum Sensörü Yeraltı Tünelini Algıladı

Kuantum Sensörü Yeraltı Tünelini Algıladı

1779
0
Nature, doi:10.1038/s41586-021-04315-3

Yeni bir atom interferometresi, istenmeyen mikrosismik gürültünün üstesinden gelerek bölgesel yerçekimi alanlarını hızla haritalıyor.

Hassas yerçekimi ölçümleri, ince yapı sabitinin ve yerçekimi sabitinin temel araştırmalarında esastır. (Markus Arndt’ın makalesine bakınız, Physics Today, Mayıs 2014, sayfa 30) Bu ölçümler için kullanılan sensörler, optik olarak bir atom bulutunun farklı momentum ve enerji durumlarının üst üste bindirilmesine ve serbestçe düşmesine izin vererek çalışır. Atomik dalga paketleri, daha sonra, yeniden birleştirilmeden önce iki uzaysal yolda hareket eder. Ortaya çıkan girişim deseni, yerel yerçekimi alanının hassas bir ölçümünü sağlar.

Volkanik aktivetleri izlemek ve inşaat projelerine engel olabilecek yeraltı boşluklarını tespit etmek gibi uygulamalar için, yüzey seviyesindeki yerçekimi alanındaki çok küçük değişiklikleri kullanarak yüzey altı yoğunluk homojensizliklerini (aynı türde olmama hali)  ortaya çıkaran yerçekimi sensörleri inşa etmek için girişimlerde bulunulmuştur. Ancak bu tür sensörlerin pratik kullanımı, paradoksal olarak hassasiyetleri nedeniyle sınırlıdır: Mikrosismik titreşimleri ortadan kaldırmak için uzun ölçümler gerekir. Bölgesel yerçekimi alanını yüksek çözünürlükte haritalamak çok fazla zaman alacaktır.

İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nden Michael Holynski ve meslektaşları ölçüm süresini kısaltmak için bir çözüm önerdiler. İki antiparalel manyeto-optik tuzakta mikrokelvin sıcaklıklarda rubidyum-87 atomları hazırladılar. Araştırmacılar, bir atom bulutu yerine, biri diğerinin bir metre üzerinde oluşturulan iki buluta aynı anda müdahale etmek için tek bir ışın kullandılar. İki girişim modelinin karşılaştırılması, dikey yerçekimi gradyanını ortaya çıkarttı ve titreşim gürültüsünü neredeyse tamamen ortadan kaldırdı.

Araştırmacılar, yukarıdaki fotoğrafta gösterilen dedektörü, altında 2 m genişliğinde bir tünel bulunan Birmingham Caddesi’nde test ettiler. 8,5 m’lik bir alanda her yarım metrede bir ölçüm yaptılar. Sonuçlar, yalnızca yeraltı yapıları nedeniyle oluşan küçük yerçekimi farklarını değil, aynı zamanda yakındaki binaların ve yerel arazinin yerçekimini de yakaladı. Araştırmacılar, beklenen toplam sinyali (grafikteki kesikli çizgi) modellediler.

Atom interferometresi beklenen yerçekimi varyasyonunu, özellikle de çizimde tünelin 0 konumunda yer alan yerçekimi gradyanındaki eğimi tespit etti. Bazı istatistiksel analizlerden sonra, sonuçlar aynı zamanda yeraltı yapılarının yerleşimi hakkında nicel bilgiler de sundu – bu durumda tünelin merkezinin 1,89 (-0,59/+2,3) m derinlikte olduğu hesaplandı.

Prototipin hassasiyeti, laboratuvar temelli en iyi atom interferometrelerinin sadece 1/30’u kadar olmasına rağmen, belirsizliği klasik gravimetrelerin belirsizliklerinden 1,5 ila 4 kat daha küçüktür. Bir raya veya araca monte edilirse, benzer ölçekli yeraltı yapılarını 10 noktalı bir çizgi taramasıyla, klasik bir gravimetre (yerçekim ölçer) ile tek bir ölçüm için gereken süreye kıyasla, 15 dakika gibi kısa bir sürede algılayabilecektir.

Sensörün arkeolojik alanların aranması ve yer altı su havzalarının haritalanması gibi potansiyel uygulamaları oldukça fazladır. Araştırmacılar, daha şimdiden ölçüm sürelerini daha da azaltmak ve şu anda mümkün olandan daha küçük ve daha derindeki özellikleri tespit edebilmek için duyarlılığın nasıl artırılacağına dair önerilere sahipler.

(B. Stray ve diğerleri, Nature 602, 590, 2022.)


Yazar: Hüseyin Türker
Redaktör: Damla Gözük

Kaynak:

Editörün Ekleri:

İnterferometri-Girişimölçer · bilgi çıkarımı için elektromanyetik dalgaların üst üste getirildiği tekniktir. İnterferometri, astronomifiber optik, mühendislikoptikoşinografisismolojispektroskopi (ve onun uygulama alanlarından kimya), kuantum mekaniği, nükleer ve parçacık fiziği, plazma, uzaktan algılama, biyomoleküler etkileşimler, yüzey profili, mikroakışkanlar, mekanik gerilme/gerilim ölçümü, velosimetri ve optimetri alanlarında önemli bir araştırma tekniğidir.

İnce yapı sabiti ya da Sommerfeld sabiti · (genelde α sembolüyle gösterilir), temel yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimin gücünü tanımlayan boyutsuz bir fiziksel sabittir.

Kütle çekimi sabiti – Gravitational Constant · MKS sisteminde yaklaşık 6,67×10ˉ¹¹ değerine sahiptir ve de G harfi ile gösterilir. Kütleçekimi kuvveti hesaplarına katılan fiziksel bir sabittir. Genellikle Sir Isaac Newton‘un evrensel gravitasyon yasasında ve de Albert Einstein‘in Genel görelilik kuramında karşımıza çıkar. Ayrıca evrensel kütleçekim sabiti veya Newton’un sabiti olarak da geçer. Ancak kütleçekimi ivmesi olan küçük g “g” ile karıştırılmamalıdır.

Akifer · Ekonomik olarak önemli miktarda suyu depolayabilen (yüksek permeabiliteli) ve iletken geçirimli jeolojik birimlerdir.

Permeabilite · birim miktardaki bir yük kaybı altında, bu ortamın birim kesit ve birim uzunluktaki prizması içinden, birim zamanda geçen suyun miktarıdır.

Mikrosismik · jeolojik veya mühendislik yapı ve malzemeleri içerisinde, doğal veya insan kaynaklı etkilere bağlı olarak meydana gelen gerilme değişimlerinin neden olduğu kontrolsüz oluşan küçük ölçekli depremsel olaylara denilmektedir.

Gradyan · bir noktada hesaplandığında, o noktada fonksiyonun maksimum artış gösterdiği yönü gösteren vektördür.

Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikBilgisayar Bilimcileri Sinir Bozucu Kuantum Hesaplamalarını Ortadan Kaldırıyor

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz