مستشعر كمي لمقاييس التسارع والجيروسكوبات مصنوع من ألياف النانو

يقوم الفيزيائيون في مختبر سانديا الوطني بتطوير أجهزة استشعار كمومية لمقاييس التسارع والجيروسكوبات، على وجه الخصوص، من خلال تصغير حجمها بحيث يمكن تجهيز أجهزة الاستشعار المتقدمة هذه في الأجهزة في نهاية المطاف. وتحدثت المجلة عن آخر إنجازات الفريق AVS علوم الكم.

كشف الباحثون في هذه الورقة عن تفاصيل حول محاصرة ذرات السيزيوم في ألياف يبلغ قطرها 420 نانومتر فقط وبقوة بصرية لا تزيد عن خمسة مللي واط. والقياسات فائقة الدقة نفسها باستخدام مقياس التداخل الذري هذا تتطلب 150 نانو واط فقط. كما قدموا أيضًا تصميمًا جديدًا للدليل الموجي الغشائي المقاوم للحرارة، وهو نموذج أولي للجيل التالي. تعمل الألياف النانوية بمثابة منصة اختبار مريحة وموثوقة للتجارب المتعلقة بالتحكم في الذرات، ولكنها ليست مناسبة بعد للتطبيقات في العالم الحقيقي.

يقول الفيزيائي جونغمين لي، الذي قاد الدراسة: “هدفنا النهائي هو إثبات ذلك على شريحة دائرة متكاملة فوتونية، لكن نتائج الألياف النانوية تظهر طريقًا واضحًا نحو الاستشعار بالقصور الذاتي الكمي على نطاق الرقاقة”.

تستخدم طريقة الحبس الجديدة طاقة أقل بثلاثة إلى خمسة أضعاف من الأساليب السابقة، مما يمثل خطوة نحو مقاييس التداخل الذري القوية الموجودة على الرقاقة والتي يمكن استخدامها عندما لا تتوفر إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

بدون نظام تحديد المواقع

في الواقع، تم تطوير العديد من البدائل للملاحة عبر الأقمار الصناعية – أولاً وقبل كل شيء، هذه أنظمة بالقصور الذاتي تحسب الموقع بناءً على بيانات من أجهزة استشعار التسارع والموقع. ولكن أثناء تحركه، تتراكم الأخطاء، وينحرف الجسم، سواء كان سفينة أو طائرة، عن مساره أكثر فأكثر.

مخرج – الاستشعار الكمي. وتعتمد قياساتها على ميكانيكا الكم ويمكن أن تكون أكثر دقة من الأدوات التقليدية. الساعة الذريةعلى سبيل المثال، هو نوع معروف من أجهزة الاستشعار الكمومية القادرة على الحفاظ على الوقت الدقيق لفترة أطول بكثير من ساعة اليد الكوارتز قبل أن تبدأ في “الخسارة”.

وبالمثل، يمكن لجهاز الاستشعار الكمي الذي يقيس القصور الذاتي أن يبقي المركبة على مسارها لفترة أطول بكثير من الأجهزة الحالية عندما يكون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مشوشًا أو غير متاح.

إن الضوء الذي يتم التركيز عليه بشكل ضيق ليس هو الفكرة الوحيدة للجيل القادم من الملاحة، ولكن له ميزة واضحة. للمقارنة: بدلًا من وضع الكرات في الأنبوب، تخيل الكرات وهي تسقط سقوطًا حرًا. هذا هو أساس التكنولوجيا البديلة – مقياس التداخل الذري في الفضاء الحر. فهو يصدر ذرات شديدة البرودة ويستخدم نبضات ليزر لقياس حركتها أثناء سقوطها في تيار مستمر في غرفة مفرغة. ومع ذلك، يمكن للصدمات أو الاهتزازات القوية أن تؤدي إلى إبعاد الذرات مؤقتًا عن الأنظار، مما يؤدي إلى تعطيل القياسات. يعمل قياس التداخل الموجه بالذرة، مثل أنبوب ضيق، على إبقاء الذرات في الداخل بحيث تظل في مجال رؤية الليزر – حتى في الاضطرابات الشديدة أو على الطرق الوعرة.

تكمن المشكلة في أشعة الليزر اللازمة لإنشاء تأثير الهالة الذي يحبس الذرات ويوجهها، فهي تولد الكثير من الحرارة. وفي الأنظمة ذات المكونات الرفيعة جدًا – أرق 200 مرة من شعرة الإنسان – يصعب إزالتها. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة ببساطة إلى تقسيم الدليل الموجي الذري.

مشكلة التدفئة

وكان لا بد من التوصل إلى حل وسط بين التصاميم الهشة، التي يتم فيها تعليق الأدلة الموجية لتحميل الذرات بكفاءة، والأجهزة القوية التي يكون الدليل الموجي فيها مثبتًا على ركيزة صلبة. ويؤكد لي أن “تبديد الحرارة والتحميل الفعال للذرة مهمان حقًا”.

لقد وجد تطوير سانديا، الذي لا يزال مجرد إثبات للمفهوم، هذا التوازن.

يوضح العالم: “إن الدليل الموجي الغشائي الجديد أقل عرضة للتسخين في الفراغ لأنه مثبت من كلا الطرفين بدبابيس سيليكون صغيرة. تحت المجهر، تبدو هذه الدبابيس ضخمة مقارنة بغشاء الدليل الموجي النانوثين – وهي تزيل الحرارة من الليزر بشكل مثالي”.

تمكن المؤلفون من إنشاء نموذج أولي تجريبي على شكل شريحة ضوئية ذات دليل موجي غشائي تعتمد على أكسيد الألومنيوم.

“باستخدام التبريد والاحتجاز بالليزر، قمنا بإنشاء سحابة من الذرات شديدة البرودة وبطيئة الحركة التي تنجرف وتتراكم إما في ثقب الغشاء أو في الفجوة بين إبرتي السيليكون. لقد أظهرنا أنه يمكن احتواء ذرات السيزيوم بقدرة بصرية منخفضة تصل إلى خمسة مللي واط، وأنه يمكن قياس التماسك الذري باستخدام حزم من الألياف المقترنة بقدرة أقل من ميكروواط مع تقليل الحمل الحراري في الفراغ. هذه القدرة ممكنة على يشرح لي: “منصات الدوائر المتكاملة الضوئية ذات الدليل الموجي الغشائي التي تم تطويرها في سانديا”.

لم يتم القضاء على جميع عيوب التصميم بعد، لذلك تم الحصول على القياسات، التي تم نشر نتائجها في المقالة، على مقعد اختبار، وليس على نموذج أولي. لكن المطورين لم يعودوا يشكون في نجاحه. وخلص الفيزيائي إلى القول: “لم يتم توضيح مفهومنا بالكامل بعد، لكننا قريبون جدًا”.