Interferómetro atómico cuántico para una detección de movimiento precisa

El estado actual de la técnica de detección de movimiento integrada se basa en dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Estas maravillas de la microfabricación utilizan diminutas estructuras de silicio, sintonizadas para detectar la aceleración y la posición de rotación en tres dimensiones. Acumule estas aceleraciones y rotaciones, y tendrá un dispositivo que puede encontrar su orientación y rastrear el movimiento sin puntos de referencia externos.

De todos modos, ¿por qué nos importa el recuento de muertes? ¿Seguramente el GPS y los sistemas de posicionamiento relacionados son lo suficientemente buenos? El GPS sobre el suelo suele ser bastante bueno, pero bajo el agua y bajo tierra esto simplemente no funcionará. Incluso entrar en interiores tiene un efecto dramático en la fuerza de la señal GPS, así que sí, necesitamos una forma diferente para algunas aplicaciones.

En este momento, el estado actual del arte en sensores portátiles son los dispositivos MEMS, y puede obtenerlos por el costo de una hamburguesa. Pero si desea la mejor precisión, querrá un interferómetro atómico cuántico. Qué es eso, y cómo es posible hacer uno lo suficientemente pequeño para ser útil, es la mitad de la historia. Pero primero, hablemos de MEMS.

Fusión de los sensores

Dada una posición inicial y aceleraciones 3D acumuladas, es posible rastrear una posición, al menos por un corto tiempo. Según este (anticuado) informe de la Universidad de Cambridge sobre el sistema de navegación inercial, con un sistema de seguimiento inercial basado en MEMS, el error de posición puede superar los 150 metros en menos de un minuto, ya que los errores no promedian, se acumulan.

Se pueden realizar mejoras fusionando datos de otros sensores en el modelo de navegación. Todo depende de donde estés; aquí en la Tierra, tales entradas de datos adicionales podrían ser tomadas por un magnetómetro, así como por un altímetro. Se ha demostrado que agregar solo los datos del magnetómetro puede reducir ese error de 150 metros a solo 5 metros. El estudio tiene algunos años, pero esperamos que sea preciso, ya que el progreso con la tecnología MEMS no ha mejorado tanto.

¿Quieres ver qué tan buena o mala es la navegación inercial en la vida real? Un dispositivo maravilloso para fusionar todos estos complicados multisensores es el Bosch BNO055, para el cual Adafruit ha aparecido amablemente en un módulo. Es posible que desee fortalecer los cuartos antes de hacerlo, eso sí.

Todas estas medidas expondrán un error que tendrá alguna distribución estadística particular. Una técnica para mitigar este error es utilizar el filtrado de Kalman, que es muy utilizado por los sistemas de navegación inercial. Un filtro de Kalman permite una mejor comprensión de las incógnitas en un modelo y, esencialmente, se ajusta a sí mismo con el tiempo para permitir una mayor influencia de los puntos de medición con la menor incertidumbre. Es de esperar que el resultado sea una mejor reparación de la posición y una idea de hacia dónde apunta ahora. Pero, todavía no puede salirse con la suya por mucho tiempo, el error sigue ahí y se acumulará con el tiempo suficiente. La investigación actual parece sugerir una tasa de error de aproximadamente el 5% de la distancia total recorrida, en el mejor de los casos. A largo plazo, el objetivo es la navegación inercial submarina, y todavía no lo hemos logrado.

Sensores MEMS: fuentes de error

MEMS-Gyro utiliza una masa resonante dentro de un marco aislado

El giroscopio MEMS es un dispositivo dinámico porque consiste en una pequeña estructura vibratoria que detecta una tasa de rotación angular explotando el efecto de coriolisis. Se induce un cambio mecánico perpendicular a la dirección de vibración, que se siente como un pequeño cambio en la capacitancia.

Los sensores giroscópicos suelen presentar dos tipos principales de error; sesgo de impuestos y error de recorrido aleatorio angular, este último debido al ruido blanco termomecánico y al ruido parpadeante en la electrónica de la cadena de señal. El error de caminata aleatoria aumenta con el tiempo, lo que contribuye en gran medida al error de orientación absoluto total. Sin embargo, el sesgo fiscal puede medirse a largo plazo y revertirse en gran medida. Hay algunos otros llamados efectos de calibre que afectan la estabilidad y también contribuirán a términos erróneos que son más difíciles de compensar.

El acelerómetro MEMS es mucho más simple

El acelerómetro MEMS tiene una estructura más estacionaria y es esencialmente un elemento agotado que se desvía en un eje de la aceleración. Este cambio mecánico también se toma como un ligero cambio en la capacitancia. Nuevamente, tenemos las mismas dos fuentes principales de error; error de polarización de aceleración y error de caminata aleatoria de velocidad. El error de polarización ahora es más complicado porque tenemos gravedad en este planeta y, para cancelar el error de polarización, necesitamos conocer la orientación del sensor. Afortunadamente, con un sistema de fusión multisensor, se puede medir la orientación y compensar este sesgo. El error de caminata aleatoria rápida se debe nuevamente a efectos termomecánicos y se acumula con el tiempo. Además, al igual que con el cambio, hay factores de error adicionales que se suman al problema.

Otros sensores utilizados para los sistemas de navegación inercial tendrán sus propias fuentes de error y aumentarán la complejidad del problema. Hay giroscopios ópticos disponibles, como el giroscopio láser de anillo y dispositivos más esotéricos, pero estos no son necesariamente fáciles de hacer realmente pequeños. Por ejemplo, la rotación del láser de anillo es menos precisa cuanto más pequeña la hace debido al límite de la longitud máxima de la ruta de radio. Esta es la razón por la que la investigación actual adopta un enfoque muy diferente de este tipo de sentimiento; a saber, el interferómetro atómico.

Interferometría atómica

Ya en 1924, el físico francés Louis de Broglie propuso que la materia se comporta como una onda, con una longitud de onda igual a la constante de Planck dividida por su momento. Esto significaba que, al igual que la luz, las ondas de materia pueden difractarse y producir patrones de interferencia. En este caso, las ondas materiales son manipuladas por láseres, lo que nos lleva a la parte divertida. Sin embargo, recuerde que, a diferencia de la luz, los átomos son masivos y tal gravedad tiene una influencia, como veremos.

Seis rayos láser ortogonales que se cruzan y un par de bobinas anti-Helmholtz de una trampa magnético-óptica

La mayoría de los experimentos con interferómetro atómico parecen funcionar de manera similar, ya que todos se basan en un recipiente a presión de alto vacío y utilizan una trampa magnetopticoniana para enfriar y ralentizar el flujo de átomos de rubidio producidos por alguna fuente. Este dispositivo utiliza seis rayos láser polarizados circularmente que se cruzan y se dirigen hacia el centro del dispositivo, con un par de bobinas anti-Helmholtz en la parte superior e inferior.

Una bobina Helmholtz está configurada para generar un campo uniforme, utilizando un solo par de bobinas, con corriente fluyendo en la misma dirección. La bobina anti-Helmholtz (también conocida como bobinado de gradiente de Maxwell) simplemente invierte una de las bobinas para producir un gradiente de campo magnético, con un campo cero en el centro. Exactamente lo que necesitamos para capturar esos molestos átomos.

Los fotones de los láseres de retención dan a los átomos algo de impulso y, debido al efecto Zeeman, el campo magnético de forma especial asegura que es más probable que los átomos regresen al cero óptico en el centro de la trampa. En promedio, los átomos en el centro de la trampa se ralentizan lo suficiente como para alcanzar temperaturas de unos pocos micro-kelvin. Que es una alegría genial.

La siguiente pieza es donde las cosas se ponen un poco locas. La trampa se apaga e inmediatamente cada uno de los átomos adecuadamente fríos es golpeado por un pulso láser especialmente preparado, formado por un par de láseres opuestos, o se realizan transiciones Raman o Bragg, dependiendo de las características de los pulsos láser. Los átomos son forzados a una superposición cuántica de ser golpeados y no golpeados por el pulso. Esto hace que los átomos cambien de momento y estado. (Y no, al mismo tiempo, es una superposición de estados, ¿no?) La nube atómica diverge y, dependiendo del movimiento de la célula, evita que se expanda fuera de un centro trampa.

Cuando un láser de baja potencia ilumina la nube atómica, la superposición se colapsa y el patrón de interferencia se observa en un CCD colocado correctamente. Al decodificar esta plantilla, es posible concluir la velocidad angular y la aceleración, con una precisión increíble, lo que abrirá nuevas aplicaciones tanto en tierra como más allá. La NASA está interesada en uno. Para obtener más detalles sobre la interferometría nuclear, consulte esta introducción de Berkeley Physics.

Sentido práctico

Todo esto es de poca utilidad como dispositivo de navegación si no puede sacarlo del laboratorio y hacerlo más pequeño, confiable y económico. Suena fácil, ¿no? Veamos los requisitos de un giroscopio atómico: necesita un recipiente a presión con ventanas ópticamente limpias, generalmente un zafiro, que pueda mantener una presión de menos de 10-7 torretas con muy poca contaminación. También necesita los láseres en sí, con los filtros relacionados y la electrónica de control. Todas estas cosas se pueden miniaturizar, incluso al tamaño de un chip, pero mantener ese vacío es un gran desafío. La forma habitual de lograr una presión de vacío tan baja es con una bomba turbomolecular, en combinación con una bomba de iones. Reducirlos ha resultado problemático.

Paquete de vacío bombeado pasivo

Ahora existe la posibilidad de eliminar la necesidad de este complejo y espeso sistema de vacío. Un equipo de Sandia National Laboratories y la Universidad de Oklahoma ha desarrollado una técnica para lograr el vacío ultra alto (UHV) requerido para aplicaciones giroscópicas atómicas de guía inercial, sin la necesidad de turbobombas, bombas de iones o bombas en absoluto. Bueno, esta última pieza no es estrictamente cierta, porque primero tenían que llegar al vacío al nivel deseado y para eso eran necesarias las técnicas estándar, pero una vez que se alcanzaban las condiciones iniciales, el prensatelas podía cerrarse permanentemente, y las bombas eliminado.

Getter sinterizado de circonio típico de saesgetters.com

El sistema se basa en la absorción química utilizando getters porosos sinterizados, que son un tipo de getter no vaporizable (NEG). Estos simples dispositivos pasivos están compuestos por una estructura porosa sinterizada de polvo de circonio y otros materiales, envueltos alrededor de un elemento calefactor eléctrico. Cuando se fabrican, se exponen al aire, formando un revestimiento pasivo y protegiéndolos de la contaminación. Cuando se instala en una cámara de vacío, el getter se activa calentándolo durante el proceso de bombeo. Esto esparce la capa pasiva en la mayor parte de la estructura y proporciona una superficie activada lista para la adsorción de cualquier contaminante durante el bombeo y luego cuando la cámara está sellada. Los captadores son bastante comunes en muchas aspiradoras domésticas, desde bombillas incandescentes hasta válvulas de radio, pero los captadores que se utilizan aquí son un poco más especializados que los de las antiguas y son capaces de capturar más átomos durante un período de tiempo más largo y mantenerlos contenidos. .

El asunto aquí es que para tener un pequeño grupo limpio de átomos de rubidio súper fríos para pinchar con láseres, primero no debe haber otros átomos que intervengan, previniendo. Estos adquirentes son muy importantes para atrapar átomos deshonestos y mantenerlos limpios.

Los gases de escape son un problema con los dispositivos de vacío ultra alto. Los gases contaminados presentes en la estructura de la carcasa se esparcen hacia el recipiente a presión, contaminando el vacío. Otro tema relacionado es el de la penetración desde el exterior del barco. Los dispositivos NEG funcionan de acuerdo con principios químicos, por lo que cualquier helio que logre esparcirse en el vacío desde el exterior del recinto no reaccionará con el captador y contaminará el vacío. Ambos problemas se minimizaron mediante una cuidadosa selección de materiales. El marco estaba hecho de titanio puro, que tenía un bajo contenido de hidrógeno, con las ventanas hechas de zafiro, que aparentemente no tiene. permeabilidad medible del helio. Estos dos materiales tienen coeficientes de expansión térmica muy compatibles, lo que ayuda a preservar la Vacíe el sello y reduzca la tensión en la estructura a medida que desciende la temperatura.

El equipo descubrió que una vez bombeado y sellado, el barco "bombeado pasivamente" podría mantener la presión de vacío de 10e-9 torr requerida durante más de 200 días, y eso significa que si todos los demás componentes pudieran miniaturizarse con éxito, ahora hay una manera de hacerlo. produciendo el primer MOT pequeño y por lo tanto portátil, y con él un interferómetro nuclear capaz de aplicaciones de guía inercial. Por supuesto, dado que la aplicación aquí es esencialmente un acelerómetro, puede usarse como un gravímetro súper sensible, que sería útil para la geodesia del suelo para sectores como la exploración de petróleo y minerales, así como para la exploración geológica.

Alejandro Vargas
Alejandro Vargas

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