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超冷原子传感技术首次成功检测太空环境变化！
2024年08月15日 14:21:04
来源：化工仪器网 点击量：9207
近日，研究团队首次使用搭载于国际空间站上的超冷原子来探测太空中周围环境的变化。
【化工仪器网 项目成果】原子干涉仪是一台惯性质量敏感器，它可用于油井定位、空间导航、引力场和加速度的精密测量等方面，因此原子干涉仪有着广阔的应用前景。科学家一直在地球上利用该传感器研究重力的基本性质，促进了飞机和船舶导航技术的发展。
科学家希望在太空中也能延伸应用该技术，因为太空的微重力环境可延长测量时间，并获得更高灵敏度。但原子干涉仪此前无法单独在太空长时间运行。
近日，加州理工学院喷气推进实验室、美国弗吉尼亚大学、德国航空航天中心(DLR)卫星大地测量与惯性传感研究所、德国乌尔姆大学、法国巴黎-萨克雷大学、德国汉诺威莱布尼茨大学、德国达姆施塔特技术大学、德国航空航天中心(DLR)量子技术研究所、美国加州大学伯克利分校、德克萨斯农工大学、罗切斯特大学组成的研究团队首次使用搭载于国际空间站上的超冷原子来探测太空中周围环境的变化。
探路者实验是指在一个新的研究领域或实验环境中，为了验证技术可行性、理解实验系统的特性、确定最佳操作参数、评估潜在的挑战和风险，而进行的一系列初步实验。这些实验的目的是为后续更深入、更系统的科学研究打下基础，探索和开辟新的研究方向。
美国宇航局(NASA)的冷原子实验室(Cold Atom Lab，CAL)于2018年发射，是国际空间站(ISS)上的首个此类设施，其目标是通过在低地球轨道的微重力环境下对超冷原子进行基础物理研究。该实验室能将原子冷却到几乎绝对零度。在此温度下，一些原子会形成玻色—爱因斯坦凝聚态(BEC)。在BEC下的原子处于相同量子态，其微观量子特性会变得宏观，更便于科学家开展相关研究。在微重力环境下，BEC可以达到更低温度并存在更长时间，为科学家提供了更多研究机会。其中的原子干涉仪是利用原子的量子特性进行精确测量的传感器之一。
为了获悉国际空间站振动的影响，研究团队利用冷原子实验室原子干涉仪中超冷Rb-87原子进行的探路实验，研究了三脉冲马赫-曾德尔干涉仪。此外，研究团队利用拉姆齐剪切波干涉法，在单次运行中显示干涉图样，这些干涉图样在超过150ms的自由膨胀时间内可观察到。最后，使用冷原子实验室原子干涉仪远程测量布拉格激光光子反冲，是首个在太空中使用物质波干涉测量的量子传感器的演示。
相关研究成果于8月13日以“Pathfinder experiments with atom interferometry in the Cold Atom Lab onboard the International Space Station”(在国际空间站冷原子实验室中开展关于原子干涉测量的探路者实验)为题发表在《Nature Communications》期刊上，Jason R. Williams(第一作者)、Charles A. Sackett、Nicholas P. Bigelow为论文共同通讯作者。
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