وتعتمد تقنيات الملاحة المبتكرة التي لا تعتمد على الاتصالات الخلوية أو الفضائية، على قياس تسارع الذرات باستخدام مقاييس التداخل الذري البارد. ومؤخرًا، قام علماء معهد وايزمان بزيادة نطاق قياس هذه الأجهزة ألف مرة
تعاني أنظمة الملاحة التي نستخدمها جميعاً بشكل يومي من قصور كبير: فهي تعتمد على الاتصال بشبكات الإنترنت أو الأقمار الصناعية وتصبح عديمة القيمة عند تعطلها - بسبب عطل أو تلف أو خلل طبيعي، كما هو الحال في أعماق البحر. إن الحل لهذا التحدي الأساسي قد ينمو بمساعدة تقنيات الملاحة المستقلة التي هي قيد التطوير في جميع أنحاء العالم، ومن المتوقع أن تسمح لنا بمعرفة مكان تواجدنا بالضبط في أي لحظة، دون الحاجة إلى الاتصالات الخلوية أو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
والحقيقة المدهشة هي أن هذا "الحكيم المثالي" يعتمد على قياس تسارع الذرات، والذي يمكن إجراؤه باستخدام مقاييس تداخل الذرات الباردة - وهي أجهزة قياس قوية ومفيدة، والتي تشكل الأساس لسلسلة طويلة من التطبيقات العلمية والصناعية. يساهم علماء معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع مركز تقنيات الكم في رافائيل، بقدرات جديدة قوية في هذا المجال من البحث، من خلال إتقان أدوات القياس المعتمدة على الذرات الباردة.
בم بقيادة تشن أبيناداف والدكتور ديمتري يانكاليف من المجموعات البحثية للبروفيسور. نير دودزون و د عوفر فورستنبرج وفي قسم فيزياء الأنظمة المعقدة، قدم الباحثون زيادة كبيرة جدًا -ألف مرة- في نطاق القيم التي يمكن قياسها بمساعدة مقاييس التداخل، دون المساس بحساسية القياس ودقته.
تعمل مقاييس التداخل، أي أجهزة قياس التداخل الموجي، عادة على موجات الضوء: نظام من المرايا يتسبب في انقسام الفوتون إلى مسارين - أي أن يكون في مكانين مختلفين في نفس الوقت (التراكب) - ثم يعاد الاتصال في عملية معروفة كتدخل. يعمل مقياس التداخل المستخدم في هذه الدراسة بدقة على الذرات، أي موجات المادة، والتي يمكن أيضًا أن تنقسم إلى قسمين وفقًا لميكانيكا الكم. وبمساعدة مستشعر قياس التداخل، يتم الكشف عن معلومات قيمة حول تسارع الذرات والحجم الدقيق لقوة الجاذبية في الوقت والمكان الذي يتم فيه إجراء القياس. هذه إحدى أكثر الطرق دقة لقياس الجاذبية - وهي قوة عادة ما يكون من الصعب للغاية قياسها بسبب ضعفها بالنسبة للقوى الكهربائية والمغناطيسية.
لإجراء القياس، يلزم بذل جهد إضافي - لإيقاف الحركة العشوائية للذرات بشكل شبه كامل، عن طريق تبريدها إلى بضعة ميكرو (أجزاء من المليون) كلفن فوق الصفر المطلق. يتم إجراء التبريد العميق للكشف عن الخصائص الكمومية للذرة، والتي لا يمكن الوصول إليها في الأجسام الأكثر سخونة. للقيام بذلك، يتم استخدام غرفة فراغ، بداخلها مصيدة مغناطيسية بصرية. يتم إدخال ذرات الروبيديوم في الحجرة المفرغة، وهو عنصر مناسب للعمل بأشعة الليزر التي تتحرك بحرية داخلها. وعندما تصل إحدى الذرات إلى المصيدة، تقوم أشعة الليزر بتبريدها، وتمنعها المجالات المغناطيسية من الهروب. يتم جمع مئات الملايين من الذرات في الفخ كل ثانية.
يجب أن يوفق القياس باستخدام مقاييس التداخل الذري البارد بين قيدين: حساسية القياس، أي القدرة على التمييز بين المستويات الدقيقة للتغير في الحجم المقاس؛ والنطاق الديناميكي - أي نطاق القيم التي يمكن قياسها. حتى في السياقات اليومية، هناك دائمًا حل وسط بين النطاق الديناميكي وحساسية القياس. على سبيل المثال، ستقيس موازين الوزن البشرية في نطاق يصل إلى 150 كجم، ولكنها لن تكتشف التغيرات الدقيقة في الجرام الواحد، والتي يمكن اكتشافها بسهولة بواسطة موازين المطبخ التي تعمل في نطاق قياس أصغر بكثير.
نجح علماء المعهد في إتقان تشغيل مقياس التداخل الذري البارد والتغلب على الحاجة إلى التسوية. لقد حققوا ذلك عن طريق إضافة قياسات وفك تشفير المعلومات الإضافية التي تم الحصول عليها منها، مع تحييد "الضوضاء" التي تنشأ أثناء هذه العملية. وفي دراسة سابقة، تمكن الباحثون من إجراء عدة قياسات للذرات واحدة تلو الأخرى، مع إجراء كل منها على مقياس مختلف قليلاً (عامل القياس). وقد أدى الجمع بين القياسات المختلفة، بمساعدة تقنية تعرف باسم تموج في النسيج، إلى توفير معلومات جديدة مكنت من توسيع نطاق القياس. ومع ذلك، في التجربة السابقة، أدى العدد الكبير من القياسات وطول الفترة الزمنية التي مرت بينها إلى الحد من إمكانية تطبيق الطريقة.
الابتكار الرئيسي في الدراسة الحالية تم تحقيقه من خلال تقسيم الذرات إلى مجموعتين في كل جولة من التجربة، بحيث يتم الحصول على معيارين في نفس الوقت. وفي عملية واحدة بهذه الطريقة، يزيد نطاق القياس عشرة أضعاف. ولم يكن الباحثون راضين عن ذلك، وكرروا العملية مرتين أو ثلاث مرات متتالية، في كل مرة بمعايير مختلفة قليلاً. وهكذا وصلوا إلى الإنجاز المثير للإعجاب المتمثل في زيادة النطاق الديناميكي بأوامر تصل إلى مائة وألف مرة - مع التأثير على حساسية القياس إلى الحد الأدنى. وفي الدراسات المستقبلية، يخطط علماء المعهد لمحاولة تحسين طريقة القياس بشكل أكبر، وذلك باستخدام المزيد من المعايير في نفس الوقت.
وفي الوقت نفسه، تتقدم التطبيقات العلمية والصناعية لمقاييس التداخل الذري البارد بسرعة، مما يجعل الأبحاث في هذا المجال مفيدة بشكل خاص. وقد غادرت هذه الأجهزة المختبر بالفعل، وتم تشغيلها في السيارات والطائرات وعلى متن السفن. سيكون من الممكن استخدامها في المستقبل للملاحة المستقلة ولرسم خرائط مجال الجاذبية الأرضية والبحث عن الموارد الطبيعية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
