Переносной атомный гравиметр увидел в городе подземный тоннель

Британские физики изготовили сверхточный атомный гравиметр, способный обнаруживать подземные приповерхностные пустоты субметрового размера. Ученые успешно испытали его в городских условиях, обнаружив под землей тоннель двухметровой ширины. Их разработка будет полезна в геологии, геодезии и археологии. Исследование опубликовано в Nature.

Атомные интерферометры используют свойства атомов вести себя подобно волне при определенных условиях. Эти приборы чувствительны к фазе колебаний атомных волновых функций, на которую может оказывать влияние напряженность гравитационного поля. Это привело к созданию датчиков градиента квантовой гравитации, которые помогли точнее измерить силу тяжести, гравитационную постоянную и постоянную тонкой структуры и проверить принцип эквивалентности.

Чувствительность атомной интерферометрии к гравитации побудила исследователей использовать ее вне лабораторий для геологических, геодезических и климатических исследований. Мобильные атомные гравиметры показали свою работоспособность в горах, в воздухе, на море и даже в космосе. Их проблемой остается шум, вызванный микросейсмическим вибрациями, который сильно ограничивает разрешающую способность приборов.

Группа британских физиков под руководством Кай Бонгс (Kai Bongs) и Майкла Холински (Michael Holynski) из Бирмингемского университета сообщили о создании атомного гравиметра, способного улавливать изменения в ускорении свободного падения, вызванной неоднородностями субметрового масштаба. Ученые продемонстрировали работоспособность прибора в городских условиях, обнаружив под землей тоннель.

Привычный оптический интерферометр основан на разделении светового пучка на две части с последующим их объединением. Как правило, физики используют для этого пластинки, которые частично отражают, а частично пропускают свет. Похожим образом работает и нейтронный интерферометр, где роль делителей и анализаторов играют кристаллы, меняющие направление частиц за счет дифракции Брэгга.

Работа атомных интерферометров также основана на брэгговской дифракции, только не на кристаллах, а на оптических решетках, которые образуются в нужных момент на пересечении лазерных лучей. Сами атомы при этом движутся в режиме свободного падения. Установка настроена таким образом, чтобы сразу после объединения атомы излучили свет. Распределение сигнала атомной флуоресценции дает физикам информацию о фазовых соотношениях между двумя атомными траекториями.

Чтобы избежать систематических ошибок и вибрационного шума, авторы новой работы использовали два таких интерферометра, разделенных высотой в один метр. При одновременном измерении обе части установки испытывают одинаковые погрешности, которые взаимно вычитаются при вычислении градиентного сигнала (то есть разницы в ускорениях свободного падения, деленной на расстояние между интерферометрами). С помощью атомов рубидия, охлажденных до нескольких микрокельвин, физикам удалось добиться неопределенности в измерении этой величины в лабораторных условиях, равной 1,3×10^-8 обратных секунд в квадрате.

Главным результатом работы физиков стала сборка мобильной установки. Она показала статистическую неопределенность, равную 2×10^-8 обратных секунд в квадрате за 10 минут измерения. Ученые продемонстрировали ее работоспособность на городском участке между двумя многоэтажными зданиями, под которым был проложен тоннель с сечением 2×2 метра и железобетонной стеной толщиной 0,2 метра. Измерение происходило вдоль линии длиной 8,5 метра перпендикулярно тоннелю с шагом в полметра.

Гравиметрический сигнал имел ярко выраженный провал, когда прибор находился ровно над тоннелем. Физики смоделировали его на основе данных о местных зданиях и рельефе, проверенных с помощью георадара и топографического сканирования. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с измерением.

В реальных поисковых задачах у ученых не будет информации о том, что именно лежит под землей. Поэтому авторы также разработали метод, который по данным прибора строит вероятностное распределение пустот под поверхностью (probability of excavation), с учетом свойств грунта. В будущем эти наработки позволят исследовать свойства почвы, например, влажность, обнаруживать эрозийные участки и водоносные горизонты. Также исследования будут полезны при осмотре заброшенных приповерхностных коммуникаций, а также обнаруживать гробницы или скрытые камеры при археологических работах.

Ранее похожий прибор уже помог физикам обнаружить гравитационный эффект Ааронова — Бома. Другим подходом к атомной гравиметрии стали атомные часы. Недавно с их помощью ученые обнаружили разность течения времени на перепаде высот всего в один миллиметр.

Марат Хамадеев