Aparece el primer gradiómetro de gravedad cuántica del mundo, que revela el mundo subterráneo a los humanos a bajo coste.
Los avances en la tecnología cuántica han abierto nuevas formas para que los humanos exploren cómodamente el mundo subterráneo.
En febrero de 2022, investigadores de la Universidad de Birmingham, en colaboración con socios de la industria, demostraron el primer gradiómetro de gravedad cuántica del mundo que puede funcionar de forma fiable en el mundo real, en experimentos estrictamente controlados, para detectar estructuras subterráneas fuera de las condiciones ambientales. .
Antecedentes técnicos
El equipo del investigador Michael Holinsky de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido ha desarrollado un gradiómetro de gravedad basado en sensores cuánticos. El 24 de febrero se publicaron los resultados pertinentes en la revista Nature.
La gravedad existe en todo el mundo. Al medir los datos del campo gravitatorio en la Tierra, los investigadores pueden determinar la estructura y densidad de la litosfera interior de la Tierra.
El método tradicional para obtener datos sobre el campo gravitatorio terrestre es utilizar un gravímetro clásico. Los gravímetros clásicos son esencialmente balanzas de resorte altamente sensibles, y el "sistema de resorte" se desplazará a medida que cambie la gravedad. Los investigadores miden los cambios en la gravedad observando el desplazamiento.
No hace falta decir que este método de medición requiere mucho tiempo y trabajo. La medición de un solo punto de datos lleva decenas de minutos y es difícil mejorar la precisión de la medición.
Usar propiedades cuánticas para medir la gravedad es una idea alternativa. Hace más de 20 años, los investigadores utilizaron interferómetros atómicos para medir los campos de gravedad.
Sin embargo, las limitaciones de factores ambientales como la vibración, la inclinación de los instrumentos, la interferencia de campos magnéticos y térmicos, etc., dificultan la transformación de la teoría cuántica en instrumentos viables.
La vibración, en particular, limita el tiempo de medición de casi todos los tipos de gravímetros. Si se pueden superar estas barreras, la medición puede ser más rápida, más completa y menos costosa.
Por ejemplo, los gravímetros electromecánicos utilizados en la exploración geofísica requieren un largo tiempo de medición para eliminar el ruido sísmico local o las vibraciones (como * * * vibraciones de vehículos que pasan u otras estructuras subterráneas), por lo que es muy difícil.
Principio de funcionamiento
Basándose en los principios de la mecánica cuántica, un equipo de la Universidad de Birmingham ha desarrollado un gradiómetro de gravedad más práctico.
El principio de funcionamiento del gradiómetro de gravedad cuántica se basa en los principios de la física cuántica, utilizando átomos ultrafríos para detectar cambios en la microgravedad y medir cambios sutiles en la tensión del campo gravitacional cuando cae la nube atómica. Cuanto más grande es el objeto, mayor es la diferencia entre su densidad y su entorno, y mayor es la diferencia en la tensión mensurable.
El gradiómetro de gravedad desarrollado por el equipo de la Universidad de Birmingham no detecta directamente los datos absolutos del campo de gravedad, sino que detecta el gradiente de gravedad, es decir, la tasa de cambio de la intensidad del campo de gravedad en la vertical. dirección. Este tipo de medición puede suprimir mejor los efectos del ruido y, por tanto, reflejar con mayor sensibilidad los cambios locales de la gravedad.
Según la revista "Nature", este gradiómetro de gravedad cuántica adopta una estructura de reloj de arena. Utilizando esta estructura, pueden medir dos nubes de átomos de rubidio ultrafríos (el rubidio es un elemento metálico) separadas verticalmente por un metro para obtener datos de alta precisión.
Diagrama esquemático de los principios básicos de la prueba
El gravímetro utiliza una tecnología cuántica llamada interferometría atómica. Los átomos de rubidio ultrafríos caen bajo la influencia de la gravedad y son iluminados por rayos láser. El patrón de interferencia resultante depende de su velocidad de caída y muestra con mucha precisión la intensidad y el gradiente del campo gravitatorio local.
En pruebas de campo sin un entorno preestablecido, el gradiómetro de gravedad cuántica superó limitaciones ambientales como la vibración. Al medir pequeñas señales de gravedad, los gradiómetros de gravedad cuántica pueden detectar de forma no destructiva lo que sucede debajo de la superficie de la Tierra. En 15 minutos, se pueden recopilar datos del gradiente de gravedad en 10 ubicaciones.
A nivel de aplicación, utilizando este instrumento, en el entorno urbano de Birmingham, Inglaterra, el dispositivo detectó un túnel subterráneo de 2-2 metros entre dos edificios de varios pisos. El equipo también detectó un túnel con una sección transversal de 2 metros cuadrados bajo 8,5 metros de pavimento.
Diagrama conceptual de las pruebas de campo
Nuevas mejoras científicas en el gradiómetro de gravedad cuántica, incluido el uso de espectroscopios de alto momento, pueden aumentar aún más la sensibilidad del instrumento en un factor de 10 -100, lo que permite dibujar o detectar características más pequeñas y profundas más rápidamente. Se prevé que este rendimiento se logre en futuros gradiómetros de gravedad cuántica comerciales dentro de los próximos 5 a 10 años.
Amplias aplicaciones futuras
El gradiómetro de gravedad cuántica de la Universidad de Birmingham es el primer instrumento del mundo que puede enfrentar los desafíos de escenarios reales y realizar detección de alta resolución espacial, mejorando en gran medida la eficiencia del mapeo humano de mapas topográficos geológicos.
El mayor logro técnico de este avance es hacer que el instrumento sea lo suficientemente adaptable para ser utilizado en la carretera o en el campo, no solo en el laboratorio.
Este avance hará que todo tipo de estudios subterráneos y submarinos sean más baratos y fiables en el futuro. Como resultado, la velocidad de salida aumenta en un factor de 10 y el tiempo de medición se reduce de un mes a unos pocos días. Puede abrir una serie de nuevos campos de aplicación para la medición de la gravedad y proporcionar una nueva perspectiva para el desarrollo del espacio subterráneo.
Fotos de pruebas de campo de bloques
Este descubrimiento en sí no es un simple avance de investigación académica, su punto de partida es la aplicación práctica.
Este avance se logró gracias a una colaboración entre RSK Universidad de Birmingham (proveedor de soluciones ambientales, de ingeniería y sostenibilidad), Dstl (Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa, parte del Ministerio de Defensa del Reino Unido) y Teledyne e2v. El proyecto está financiado por Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) como parte del Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas del Reino Unido y se lleva a cabo bajo contrato del Ministerio de Defensa.
El profesor Kai Bongs, director de física de átomos fríos en la Universidad de Birmingham e investigador principal del Centro de Temporización y Sensores de Tecnología Cuántica del Reino Unido, dijo: "Este es un momento Edison en la detección que transformará la sociedad. , el conocimiento humano y la economía."
"Con este avance, los humanos ya no pueden confiar en los malos antecedentes y la suerte al explorar, construir y reparar edificios e infraestructura. Además, la academia está lejos de la norma. . El mapeo subterráneo global sin precedentes está un paso más cerca, lo que efectivamente pondrá fin a la situación en la que los humanos saben menos sobre las condiciones a unos metros bajo nuestros pies que la Antártida."
Diagrama esquemático de la profundidad de los estratos subterráneos adecuados para. este instrumento.
Los ingenieros urbanos pueden utilizar gradiómetros de gravedad cuántica para detectar características cercanas a la superficie (10 metros bajo tierra) de terrenos especiales que podrían afectar a nuevos edificios y, por tanto, utilizarse para reducir el coste y la duración de proyectos ferroviarios y de carreteras. ;
Los arqueólogos pueden utilizar gradiómetros de gravedad cuántica para mapear tumbas y estructuras ocultas y aprender sobre sitios subterráneos sin la necesidad de realizar excavaciones destructivas.
Los gradiómetros de gravedad cuántica también se pueden utilizar para medir características geológicas, como acuíferos o densidad del suelo, para determinar el contenido de agua regional o descubrir recursos minerales ocultos;
Los gradiómetros de gravedad cuántica también pueden mejorar predicciones de fenómenos naturales como erupciones volcánicas.
Fotos de pruebas de campo de bloques
El profesor George Tuckwell, jefe del Departamento de Ciencias de la Tierra e Ingeniería de RSK, dijo: “Detección de superficies superficiales como túneles de minas, túneles y terreno inestable Las condiciones son importantes para nuestra capacidad de diseñar, construir y mantener viviendas, industrias e infraestructuras. Las capacidades mejoradas que representa esta nueva tecnología podrían cambiar la forma en que mapeamos y mapeamos características y completamos proyectos de construcción en todo el mundo".
El Dr. Gareth Brown, director técnico del Proyecto Conjunto de Detección Cuántica y científico principal del Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa (Dstl) del Reino Unido, dijo: "Para aplicaciones de campo, la medición precisa y rápida de los cambios en la microgravedad es un paso importante para detectar cambios En microgravedad, a medida que la tecnología de detección de la gravedad madure, serán posibles aplicaciones para la navegación submarina y la revelación de las condiciones del subsuelo.
El equipo de investigación de la Universidad de Birmingham dijo que una vez que el instrumento se vuelva más pequeño, más flexible y más sensible, se colocará. en el mercado lo antes posible.
Si bien los investigadores de la Universidad de Birmingham han discutido la comercialización del instrumento con sus socios RSK y Teledyne e2v, la filial británica del grupo tecnológico estadounidense Teledyne, también están considerando crear su propia startup para vender esta investigación.
Referencias:
/articles/s 41586-021-04315-3
https://phys.org/news/2022-02-sensor - avance-pavimenta-puesta a tierra-mundo html