19年2021月XNUMX日（Nanowerkニュース）衛星ベースのGPSは素晴らしい発明ですが、GPSでさえ、水中をナビゲートする場合や、軌道を回る衛星のXNUMXつが誤動作する場合などに制限があります。 GPSは、地図帳や紙の地図のように、距離と高さのパラメータで機能しますが、場所とルートを測定する方法は他にもあります。たとえば、地球の重力場をグラフ化する方法や、近い将来、非常に小さなガイダンスシステムに基づいて測定する方法があります。原子の軌道。 このような原子システムは、GPSなしのナビゲーションに使用できます。 冷原子干渉計として知られるこれらの原子システムは、よく知られている量子原理に基づいて動作します。 光子や電子のような量子粒子は波として機能することができます。 波が干渉計のようなデバイスでXNUMXつに分割されてから再結合すると、XNUMXつの波の間の干渉パターンにより、その粒子の軌道に関する情報が明らかになります。 原子が量子粒子として適切に機能するためには、原子を絶対零度よりわずか数百万度高い温度に冷却する必要があるため、原子物質の波で動作する干渉計を作成することは、光よりもはるかに困難です。 それにもかかわらず、世界中のいくつかの主要な研究室の研究者は、部分的には非常に正確なナビゲーション手段として、この技術を開発してきました。 この方法では、原子に作用する重力のわずかな変化を測定することもできます。 自由落下で0.1秒間隔で撮影された冷たい原子の雲。 原子の動きは重力のために放物線状ですが、雲はその有限（非ゼロ）温度のために放射状に膨張します。 それらが落下するとき、それらはそれらの軌道の始め、中間および終わりで、XNUMXつのレーザーパルスによって尋問されます。 （画像：ワイツマン科学研究所）ワイツマン科学研究所の研究者は最近、実行できる測定範囲を大幅に拡大することにより、この技術をさらに有用にする方法を実証しました（科学の進歩, 「ダイナミックレンジがXNUMX倍に増加した原子干渉法」）。 複雑系の物理学部門に所属するOferFirstenberg博士とNirDavidson教授のグループのChenAvinadav博士とDimitryYankelev博士がこの研究を主導しました。 干渉計は一般的に高感度ですが、範囲は限られています。 干渉計のような機器で測定することには、機械的なスケールで何かを計量することと同じ制限があります。測定範囲と感度の間には常にトレードオフがあります。 たとえば、体重計の範囲は約100キログラムですが、体重が数グラム変化したかどうかはわかりません。 一方、キッチンスケールの範囲は約XNUMXキログラムですが、感度はXNUMXグラム以下です。 研究所の研究者は、わずかに異なるスケールでいくつかの測定を実行することにより、原子干渉計のこの制限を回避する方法を見つけました。 これらを組み合わせると、干渉波がいわゆるモアレパターンを生成し、測定範囲が何倍にも広がります。 本研究では、研究チームは、モアレ測定値を取得する際の以前の改善に基づいて構築することに成功し、プロセスに固有のノイズを低減しました。 彼らは、他のすべての点で同一である干渉計セットアップでのXNUMXつのスケールの同時測定に基づくシステムを開発しました。 モアレ効果：XNUMXつのほぼ同一の細かいスケールが高い測定感度を提供し、それらのオーバーラップで生成された粗いスケールが測定範囲を拡大します。 （画像：ワイツマン科学研究所）このような測定をXNUMX、XNUMX回続けて行うと、測定の感度をほとんど犠牲にすることなく、測定範囲を最大XNUMX倍に拡大することができました。 そして、これはほんの始まりに過ぎないかもしれない、とFirstenbergは言います。 XNUMXつのラボは、範囲をさらに拡張できるかどうかを確認するために、さらに多くのスケールで将来の実験を計画しています。 このような原子干渉計は、XNUMXつの主要なアプリケーションで宣伝されています。開始点から推測航法で機能する慣性航法と、とりわけ天然資源の検索に役立つ重力マッピングです。 新しい技術は、現場で日常のアプリケーションを作成する取り組みの大きな進歩を表す可能性があります。

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