Квантовый датчик для акселерометров и гироскопов сделали из нановолокна
Физики национальной лаборатории Sandia занимаются разработкой квантовых датчиков для акселерометров и гироскопов, в частности, их микроминиатюризацией, чтобы в конечном итоге такими передовыми сенсорами можно было оснащать гаджеты. О последних достижениях команды сообщил журнал AVS Quantum Science.
В статье исследователи раскрыли подробности об удержании атомов цезия на волокне диаметром всего 420 нанометров при оптической мощности не больше пяти милливатт. А сами сверхточные измерения посредством такого атомного интерферометра требуют всего 150 нановатт. Они также представили новую конструкцию термостойкого мембранного волновода — прототип следующего поколения. Нановолокна служат удобным и надежным испытательным стендом для экспериментов по управлению атомами, но пока непригодны для реального применения.
«Наша конечная цель — продемонстрировать это на чипе с фотонной интегральной схемой, но результаты на нановолокне показывают ясный путь к квантовому инерциальному зондированию чипового масштаба», — говорит физик Чонмин Ли, руководивший исследованием.
Новый метод удержания расходует на три-пять порядков меньшую мощность, чем предыдущие подходы, что означает переход к прочным, чиповым атомным интерферометрам, которые могли бы применяться в случае недоступности сигналов GPS.
В отсутствие GPS
Собственно, альтернатив спутниковой навигации разработано немало — прежде всего это инерциальные системы, вычисляющие позицию по данным датчиков ускорения и положения. Но по мере движения накапливаются ошибки, и объект, будь то морское или воздушное судно, все более отклоняется от курса.
Выход — квантовое зондирование. Его измерения основаны на квантовой механике и могут быть гораздо точнее, чем у обычных приборов. Атомные часы, например, — известный тип квантового сенсора, который способен сохранять точное время гораздо дольше кварцевых наручных часов, прежде чем начнет «уходить».
Точно так же и квантовый датчик, измеряющий инерцию, мог бы удерживать аппарат на курсе значительно дольше, чем нынешние приборы, когда GPS заглушен или недоступен.
Узко сфокусированный свет — не единственная идея для навигации следующего поколения, но у нее есть явное преимущество. Для сравнения: вместо шариков в трубе представьте шарики в свободном падении. Именно на этом основана альтернативная технология — атомный интерферометр в свободном пространстве. Он испускает ультрахолодные атомы и с помощью лазерных импульсов измеряет их движение, пока они ровным потоком падают в вакуумной камере. Однако сильные толчки или вибрации могут на мгновение выбросить атомы из виду, нарушая измерения. Интерферометрия с направляемыми атомами, подобно узкой трубе, удерживает атомы внутри и они остаются в поле зрения лазеров — даже в условиях сильной турбулентности или на ухабистой дороге.
Проблема в лазерах, которые нужны, чтобы создать эффект ореола, захватывающего и направляющего атомы — они выделяют много тепла. А в системах с ультратонкими компонентами — в 200 раз тоньше человеческого волоса — отводить его сложно. Перегрев может попросту расколоть атомный волновод.
Проблема нагрева
Приходилось искать компромисс между хрупкими конструкциями, в которых волноводы подвешены для эффективной загрузки атомов, и прочными устройствами с волноводом на твердой подложке. «И отвод тепла, и эффективная загрузка атомов действительно важны», — подчеркивает Ли.
Разработка Sandia, которая пока представляет собой не более чем доказательство концепции, этот баланс нашла.
«Новый мембранный волновод менее восприимчив к нагреву в вакууме, потому что закреплен с обоих концов крошечными кремниевыми штырьками. Под микроскопом эти штырьки выглядят огромными по сравнению с нанотонкой мембраной-волноводом — и они отлично отводят тепло от лазеров», — показывает ученый.
Авторам удалось создать экспериментальный прототип в виде мембранно-волноводного фотонного чипа на оксиде алюминия.
«При помощи лазерного охлаждения и захвата мы получили облако очень холодных, медленно движущихся атомов, которые дрейфуют и накапливаются либо в отверстии мембраны, либо в зазоре между двумя кремниевыми иглами. Мы показали, что атомы цезия можно удерживать при оптической мощности всего пять милливатт и что атомную когерентность можно измерять с помощью волоконно-связанных пучков мощностью менее микроватта, минимизируя при этом тепловую нагрузку в вакууме. Эта возможность реализуема на платформах мембранно-волноводных фотонных интегральных схем, разработанных в Sandia», — объясняет Ли.
Еще не все недочеты конструкции устранены, поэтому измерения, результаты которых обнародованы в статье, получены на испытательном стенде, а не прототипе. Но в успехе разработчики уже не сомневаются. «Наша концепция еще не полностью продемонстрирована, но мы очень близки», — заключил физик.
