紧凑型原子陀螺仪显示新的性能

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所属分类:物理学

在这篇新论文中,量子陀螺仪的设计和性能评估过程由三位女性领导,她们在物理学方面非常不寻常,并为项目负责人ElizabethDonley感到自豪。博士后研究人员Yun-JhihChen和AzureHansen已经完全重建了该设备多年。

“我们不仅建造了一个简单的量子陀螺仪,而且这是第一次有人使用单个原子源同时测量旋转,旋转角度和加速度。“其他陀螺仪,包括目前用于手机和飞机的经典陀螺仪,只能测量旋转轴。这是我们第一次报告加速度和旋转测量的灵敏度。”

紧凑型原子陀螺仪显示新的性能

紧凑型原子陀螺仪显示新的性能

NIST团队使用以前版本的量子陀螺来测量旋转。升级设备以加速信号强度和数据采集,以进行竞争性灵敏度测量。它还添加了一种从机器学习派生的模式识别算法,以自动从原子图像中提取信息。

NIST陀螺仪是一种原子干涉仪,它充分利用了价态粒子可以充当波的事实。旋转和加速度是来自两种不同能量状态的干涉物质波的图像(在空间中显示粒子位置的概率)。

原子干涉仪可用于导航和大地测量(基于重力测量的地球形状研究),因为它们对加速和旋转敏感,以及长期稳定性和准确性。小型,轻型,低功率原子干涉仪的开发对于将仪器性能从实验室移动到现场至关重要。

NIST团队为便携式应用开发了一种简化的解决方案,该解决方案使用距离测量过程几毫米的小原子云。在体积仅为1立方厘米的玻璃室中,捕获并释放约1000万个冷氦原子。

目前,激光器需要全尺寸光学平台和一些电子设备。Donley说,在陀螺仪可以在现场使用之前,激光设备必须更加紧凑和集成。她补充说,其他研究小组正在缩小这种激光系统的尺寸。

NIST陀螺仪对旋转测量的幅度和方向的灵敏度分别为0.033度/秒和0.27度,并且平坦的0x3e2时间为1秒。Donley说,结果接近其他研究小组使用更大的原子干涉仪所达到的灵敏度水平。此外,NIST陀螺仪的独特之处在于它们可以沿两个轴旋转,并在使用单个原子源时沿一个轴测量加速度。

在NIST陀螺仪中,当原子首先在云中捕获然后在重力下释放时,激光束使原子性能在两种能量状态之间切换。该过程涉及吸收和释放轻微颗粒,其赋予原子动量,分离材料波,然后干扰重组。当原子加速或旋转时,物质波以可预测的方式移动和干扰,这可以在扩展云的图像中看到。

通过照射云的第二弱激光束来成像原子。由于不同能态的原子吸收不同频率的光,因此图像显示了两种状态下的一组原子的干涉带。通过分析原子云性能中干涉带的间隔和方向来测量旋转速度和旋转轴。根据中心带位置的变化测量加速度。干涉仪对激光束方向的加速度敏感,并且对垂直于光束的旋转敏感。

原子可以用作陀螺罗盘,因为它们可以感知地球表面的旋转。由于地球的旋转,转向信号指向北方,这对航行很有用。

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