Interferometria por átomos para medir a rotação da Terra

Giroscópio inventado por Léon Foucault in 1852. Replica construída por Dumoulin-Froment para a Exposição Universal em 1867. National Conservatory of Arts and Crafts museum, Paris. Fonte: Wikipedia

Um novo tipo de giroscópio baseado na interferência dos átomos foi desenvolvido para poder determinar a latitude onde o instrumento ficará localizado – e também servirá para medir o norte verdadeiro e taxa de rotação da Terra. O dispositivo foi desenvolvido por físicos, dos EUA, que esperam que este instrumento possa testar a teoria geral da relatividade de Einstein. Também se pretende miniaturizar a tecnologia para que possa ser usada em sistemas de navegação portáteis.
O giroscópio foi construído por uma equipe liderada por Mark Kasevich na Universidade de Stanford, na Califórnia. O funcionamento consiste em disparar átomos numa direção com um pequeno ângulo com a vertical (como no lançamento de projéteis) de modo que os átomos sigam uma trajetória parabólica à medida que a gravidade os puxa para baixo. Uma série de pulsos de luz , emitidos por um laser, é disparado contra a nuvem durante o voo, que separa os átomos num número de diversos ramos que se seguem trajetórias diferentes. Os pulsos são cuidadosamente selecionados de modo que duas dessas trajetórias se possam cruzar num detetor.
Dado que os átomos são regidas pela mecânica quântica, eles se comportam como ondas com uma mudança relativa na fase entre os átomos que tomam caminhos diferentes. A interferência resultante no detetor é ditada, em parte, pelas orientações relativas dos pulsos de luz do laser, a gravidade e a rotação da Terra.
Onde no mundo? 
O dispositivo é configurado para que os pulsos de luz do laser sejam disparados horizontalmente – perpendicular à gravidade – e foi testado, rodando a orientação dos pulsos de luz do laser sobre o eixo gravitacional. O padrão de interferência resultante é uma sinusoidalquase perfeita com uma amplitude que depende da taxa de rotação da  Terra e

Função seno (sinosoide). Fonte: Wikipedia

da latitude do local onde a medição é feita. Porque sabe-se o quão rápido a Terra está a girar, a latitude pode, portanto, ser facilmente determinada (veja-se o exemplo do pêndulo de Faulcault). A direção do verdadeiro norte e sul são dadas pela direção dos pulsos de luz do laser quando a amplitude da sinusoidal é zero.
Como o giroscópio também é sensível ao seu próprio movimento em relação ao que o envolve, Kasevich e colegas mostraram que este poderia ser usado para a “navegação inercial”, em que a localização de um veículo (ou pessoa) é calculado por saber seu ponto de partida e todos os os movimentos realizados. A equipe demonstrou isso através da rotação do giroscópio sobre o eixo perpendicular à gravidade e aos pulsos de luz do laser, o que levou a uma mudança constante na interferência à medida que a velocidade angular aumentava de zero até cerca de 1,6 rotações por segundo.

Teste de Einstein 
Embora este não seja primeiro giroscópio de átomos a ser feito, a equipe diz que a sua gama dinâmica é 1000 vezes maior do que as versões anteriores. Outra diferença importante entre este e outros giroscópios de átomos é que o padrão de interferência não depende da velocidade dos átomos, o que significa que o ruído e a incerteza nas medições não degradam o seu desempenho.

Dois giroscópios atómicos em ação.

Kasevich acredita que a técnica também pode ser adaptado para medir – pela primeira vez em um ambiente de laboratório – as pequenas correções para a trajetória de qualquer objeto resultante da teoria geral da relatividade de Einstein. “Como a nossa técnica de interferometria-átomo determina essencialmente a trajetória, em última instância, a mudança de fase do interferômetro deve refletir as correções da trajetória relacionadas com a relatividade geral“, diz o cientista. Kasevich e seus colegas planeiam agora melhorar a técnica de modo a que seja o suficientemente sensível para medir esse efeito, conhecido como “precessão geodésica“, e implementá-lo em uma “torre de queda” de 10 m que está a ser construída em Stanford.

Embora a “precessão geodésica” da relatividade geral já havia sido medido com instrumentos a bordo de satélites (veja no blog aqui, aqui, aqui e aqui), Holger Müller, da Universidade da Califórnia, Berkeley pensa que “a confirmação por interferômetros de átomos será recebida com grande interesse“. No entanto, ele adverte que a implementação da experiência numa torre de 10 m será “um desafio”.
Kasevich também tem planos para implementar a tecnologia em pequenos dispositivos que poderiam ser usados ​​em sistemas de navegação – e de fato já está associado a uma pequena empresa chamada AOsense, com sede em Sunnyvale, Califórnia. Kasevich disse à physicsworld.com disse que um dispositivo com um volume de apenas 1 cm3 poderia ser útil para aplicações de navegação terrestre. O experimento atual está contido dentro de um cubo com um escudo magnético, com aproximadamente 50 cm de aresta.

Traduzido e adaptado de physicsworld.com

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