Физики создали миниатюрный атомный гироскоп

Москва, 18:20, 24 Авг 2016, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Команда разработчиков НИСТ продемонстрировала компактную конструкцию атомного гироскопа, который портативен, имеет низкое энергопотребление и достаточно точен, чтобы использоваться для навигации.

Гироскопы, традиционно ориентированные на механические компоненты, которые вращаются или вибрируют, распространены в навигации и все чаще используются в смартфонах. Новое устройство может найти применение в приложениях, требующих ультраточной навигации с экстремальными ограничениями на размер, вес и мощность, например, на космических кораблях или подводных лодках.

В качестве бонуса, атомный гироскоп может также одновременно измерять и ускорение. Сочетание гироскоп/акселерометр позволяет выполнять навигацию по «счислению», без привязки к внешним ориентирам или звездам.

Объем камеры этого устройства составляет всего 3,5 кубических сантиметра.

Гироскоп представляет собой атомный интерферометр. Он основан на расширении облака атомов, охлажденных лазером, первоначально продемонстрированном в Стэнфордском университете. В отличие от традиционной оптической интерферометрии, атомный интерферометр использует атомы вместо световых частиц и волн, создавая меняющиеся интерференционные картины.

«Сердце» гироскопа представляет собой небольшой стеклянный резервуар, содержащий около 8 миллионов холодных атомов рубидия. В то время как атомы падают под действием силы тяжести, лазерный луч приводит их к переходу между двумя энергетическими состояниями. Этот процесс предполагает поглощение и излучение частиц света, которые дают импульс атомам, заставляя их создавать волны.

Облако холодных атомов расширяется в 5 раз больше своего первоначального размера в течение 50 миллисекунд , создавая связь между скоростью каждого атома и его окончательной позицией. Вращение имитируется наклоном зеркала под камерой.

Атомы проходят на фоне второго, слабого лазерного луча. Поскольку частицы в различных энергетических состояниях поглощают свет различных частот, может быть обнаружено конечное энергетическое состояние атомов. Полученные изображения показывают диапазоны взаимодействия частиц в двух различных энергетических состояниях. Скорость вращения и оси вращения измеряются путем анализа интервалов и направлений интерференционных полос в облаке атомов. Ускорение выводится из изменения в центральной полосе. Интерферометр чувствителен к ускорению вдоль направления света, а также к оборотам перпендикулярно к свету.

Как правило, для сочетания гироскопа/акселерометра необходимо два отдельных источника атомов. Новая версия прибора получает одновременно сигналы из одного расширяющегося облака атомов, что в конечном итоге может привести к значительно более простым устройствам.

Атомные гироскопы производят меньше погрешности, чем обычные прецизионные гироскопы, которые используют кольцевые лазеры. Они не только меньше, но и проще, чем другие аналогичные атомные интерферометры.