حسگرهای کوانتومی می‌توانند آینده اکتشافات فضایی را تغییر دهند

مطالعه جدیدی نشان می‌دهد که محققان آزمایشگاه اتم سرد ناسا (CAL) با استفاده از یک حسگر کوانتومی حاوی اتم‌های فوق سرد، ارتعاشات جزئی ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) را اندازه‌گیری کرده‌اند. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که اتم‌ها در حالت ریزش آزاد در فضا به مدت 150 میلی‌ثانیه خواص موج‌مانند از خود نشان داده‌اند که طولانی‌ترین زمان ثبت شده تاکنون است.

به گزارش سرویس اخبار نجوم و هوافضا تکنا، این اولین بار است که از حسگرهای کوانتومی فوق سرد در فضا استفاده می‌شود. این یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌هایی است که انسان تاکنون برای مطالعه نیروهای کوچک، ارتعاشات و تغییرات جزئی در میدان‌های گرانشی اختراع کرده است.

تیم ناسا خاطرنشان می‌کند: «حسگرهای مبتنی بر فضا که می‌توانند گرانش را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند، کاربردهای بالقوه گسترده‌ای دارند. به عنوان مثال، می‌توانند ترکیب سیارات و قمرهای منظومه شمسی را آشکار کنند، زیرا مواد مختلف چگالی‌های متفاوتی دارند که تغییرات جزئی در گرانش ایجاد می‌کنند.» این فناوری کوانتومی همچنین می‌تواند به توسعه فناوری‌های ناوبری بهتر و دقیق‌تر برای هواپیماها و کشتی‌ها در زمین کمک کند.

آزمایشگاه اتم سرد یک مرکز تحقیقاتی در ایستگاه فضایی بین‌المللی است. این آزمایشگاه به ناسا اجازه می‌دهد تا گازهای کوانتومی فوق سرد را مطالعه کند و اندازه‌گیری‌های دقیقی از خواص فیزیکی بنیادی مانند نیروهای گرانشی، برهمکنش‌های اتمی و رفتار کوانتومی انجام دهد. چنین اندازه‌گیری‌هایی به دما و شرایطی نیاز دارد که روی زمین قابل دستیابی نیست. با این حال، در محیط میکروگرانشی فضا، می‌توانند این گازها را بیش از 10 ثانیه در دمای زیر 100 پیکوکلوین (-459.67 درجه فارنهایت) مشاهده کنند.

برای مطالعه فعلی، محققان از تداخل‌سنج اتمی، نوعی حسگر کوانتومی که از رفتار موج‌مانند اتم‌های فوق سرد برای اندازه‌گیری تغییرات در میدان گرانشی استفاده می‌کند، استفاده کردند. برای اندازه‌گیری ارتعاشات ISS، نویسندگان مطالعه ابتدا اتم‌های روبیدیم (یک عنصر) را تا -459.6 درجه فارنهایت سرد کردند و سپس آن‌ها را از طریق تداخل‌سنج عبور دادند.

تیم ناسا می‌گوید: «به دلیل رفتار موج‌مانند آن، یک اتم منفرد می‌تواند همزمان در دو مسیر فیزیکی جداگانه حرکت کند. اگر گرانش یا نیروهای دیگر روی این امواج عمل کنند، دانشمندان می‌توانند با مشاهده نحوه ترکیب مجدد و برهمکنش امواج، آن تأثیر را اندازه‌گیری کنند.»

بنابراین، هنگامی که اتم‌ها حرکات مختلفی را نشان دادند و همزمان چندین مسیر را دنبال کردند و رفتار کوانتومی را نشان دادند، حاشیه‌هایی ایجاد کردند – الگوهایی حاوی اطلاعات در مورد تغییرات جزئی در گرانش و سایر عوامل فیزیکی. نویسندگان مطالعه این الگوها را بررسی کردند و اندازه‌گیری‌های دقیقی از ارتعاشات ISS انجام دادند. آن‌ها گفتند: «این اولین بار است که از اتم‌های فوق سرد برای تشخیص تغییرات در محیط اطراف در فضا استفاده می‌شود.» حسگرهای کوانتومی فوق سرد می‌توانند بهبودهای چشمگیری در بسیاری از کاربردهای مورد استفاده در زمین و فضا ایجاد کنند. به عنوان مثال، می‌توانند دقت و حساسیت تجهیزات مدرن GPS و ارتباطی را افزایش دهند.

محققان خاطرنشان می‌کنند: «اندازه‌گیری دقیق گرانش (از طریق حسگرهای کوانتومی) می‌تواند بینش‌هایی در مورد ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک، دو راز بزرگ کیهان‌شناسی، ارائه دهد.» دستگاه‌هایی مانند تداخل‌سنج‌های اتمی همچنین به دانشمندان اجازه می‌دهند تا ماهیت کوانتومی مواد مختلف را در محیط‌های مختلف مطالعه کنند. این می‌تواند درک ما را از نیروهای کوانتومی که جهان را هدایت می‌کنند افزایش دهد.