(Kvantová) gravimetria Michal Prišegen Kvantová fyzika atomárnych sústav 26.5.2010 Mikro úvod do gravimetrie •Pre praktické účely, gravitácia na povrchu Zeme je všade konštantná, ale pre vedecké účely je povrchová gravitácia plná jemných variácií. •Meraním sily gravitačného poľa sa zaoberá gravimetria, prístroje pre meranie sily gravitačného poľa nazývame gravimetre. •Gravitácia –konvenčne meraná v jednotkách zrýchlenia (m/s^2) •V gravimetrii sa používa jednotka 1Gal (=1cm/s^2) •Gravitácia klesá o 0,3 mGal s každým metrom výšky usgg2003.b.jpg •Extrémne široké spektrum použitia v množstve disciplín •Deviácie v tvare Zeme od referenčného elipsoidu, Coriolisova sila, zmena dĺžky dňa, kalibrácie v meteorológií, klimatológia, geologické a geofyzické aplikácie-štúdiu prílivu a odlivu, pochody v zemskej vnútri, tektonická dynamika, vulkanológia, hľadanie prírodných zdrojov a mnoho iného... 4953-004.jpg Klasické gravimetre •Absolútne, relatívne •Nemajú rady cestovanie, nízky krvný tlak, gravitácia sa nedá zacloniť •- Katerovo kyvadlo- 30 roky, klasická kyvadlová rovnica, rel. chyba 10^-4 •Strunové gravimetre- relatívne, struny nulovej dĺžky nepodliehajúce Hookovmu zákonu s extrémne dlhými rezonančnými dobami oscilácie, nepresnosť určenia y, hysterézia-potreba častej kalibrácie gravimetre.JPG •Supravodivé gravimetre -relatívne, supravodivá guľa sa vznáša v magnetickom poli, gravitačné zmeny sú kompenzované elektrostatickou silou udržujúcou guľu na fixnej pozícií, neuveriteľná presnosť, stabilné, neprenosné. •Gravimetre využívajúce voľný pád (optická interferometria) – sledujú objekt vo voľnom páde pomocou interferometrickej metódy, zrkadlo pripevnené na objekte slúži ako jedno z ramien Michelsonovho interferometra, z dát z interferometra sa potom získa g, nepresonosť vo vlnovej dĺžke laseru, nemôže fungovať viac ako týžden, najpresnejšie prístroje tohto typu sú neprenosné. • Kvantová gravimetria-princípy •Matter-wave interferometria v poslednej dekáde viedla k vývoji nových metód v meraní inerciálnych síl. •Tento druh interferometrie je možné použit na presné meranie gravitačného pola, kvantové gravimetre pracujúce na tomto princípe sú presné a stabilné •Neutrálna hmota je oveľa menej citlivá na rušivé účinky elektrických a magnetických polí a jej typická rýchlosť je oveľa nižšia ako rýchlosť svetla, čo dovoľuje dlhšiu interakciu na fixnej dĺžkovej škále. •Kvantové interferometre- neutron-based: obtiažna produkcia v laboratóriu, atom-based: pomerne technicky náročná záležitosť, v praxi použitelné až od 90tych rokov •De Broglieho vlnová dĺžka •Pre studené atómy (okolo 10^-6 K) je vlnová dĺžka okolo 1 mikrometer •Analogicky k optickej interferometrii, vlny atómovej hmoty môžu byť rozložené, rekombinované a vytvoriť interferenčný signál •Optické komponenty: 1.) materiálne –analogické k Youngovmu dvojštrbinnému interferometru, vyžaduje vysokú kvalitu povrchu a presný positioning.2.) Difrakcia pomocou svetelných polí: dosiahnutá pomocou laserovej stojatej vlny generovanej dvomi proti-sebe sa šíriacimi laserovými lúčmi, ktoré v podstate vytvárajú difračnú mriežku. Oproti 1.) je oveľa viac laditeľné- je možné meniť fázu, intenzitu a hustotu difrakčnej mriežky interferometra.JPG Gravimetria založená na Ramanovej atómovej interferometrii •Zahŕňa separáciu a odraz atómového vlnového paketu pomocou Ramanovho prechodu (prechod medzi vnútornými stavmi atómov pomocou elektromagnetického poľa). •Každý atóm môže byť popísaný svojim vnútorným stavom a externým momentom zotrvačnosti. Dva proti seba sa šíriace lúče s opačnýmmi vektormi šírenia, ktorých rozdiel frekvencií je rezonančný atomickým dvojlevelovým systémom (predpokladajme, že atóm má len dva levely pre základný stav) môže vyvolať Ramanov prechod. •Týmto spôsobom môžeme separovať a skladať vlnu podľa povahy pulzu, lebo ak meníme vnútorný stav systému, mení sa a hybnosť, čó je dôsledok zákonov zachovania v systéme atóm+fotón. •Po zložení je výsledkom oscilačná funkcia dráhového rozdielu, ktorá závisí na gravitačnom zrýchlení. raman.JPG Gravimetria založená na Blochových osciláciach •Blochové oscilácie sú fenoménom z fyziky pevných látok. Popisujú osciláciu častice, keď na ňu pôsobí konštantná sila. •Dva proti seba sa širiace laserové lúče vytvárajú difrakčnú mriežku. Takáto pravidelná štruktúra vytvára periodický potenciál a slabú silu, ktorá produkuje Blochove oscilácie, ktorých periódu môžeme merať. •Blochove oscilácie explicitne závisia na g. meh.JPG Referencie •doi:10.1088/0957-0233/20/2/022001 •http://geology.about.com/library/weekly/aa050999.htm •http://geophysics.ou.edu/enviro/readings/microgal_gravimetry.html •en.wikipedia.org • •Ďakujem za pozornosť