2019-09-05 22:30:01
使用超冷原子找到大规模杀伤性武器

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处理大规模毁灭性武器的一个问题是它们被很好地隐藏起来。找到它们的关键可能是改变我们用来查看的方法。其中一种方法是在威廉玛丽小礼堂地下室的实验室中成型。

“基本上,我们正在制作它,这样你才能看到你看不到的东西,”威廉玛丽物理学副教授塞思奥宾说。

奥宾最近获得了美国国防部国防威胁减少机构的拨款,用于开发一种能够探测大规模杀伤性武器隐藏基础设施的新型仪器。

“该机构特别感兴趣的是找到地下工厂或导弹发射井,这样的事情,”奥宾说,“但你也可以用它来发现潜艇,甚至找到走私隧道和洞穴。”

奥宾说,为了看到无形的东西,我们首先要重新考虑它的外观。人眼设计用于处理光 - 或者,当你谈论粒子物理时,光子。当我们将某些东西称为“可见的”时,Aubin解释说,它通常意味着从那个物体反弹的光子以我们的眼睛可以处理的波长移动,因此看到。

但是,如果我们改变对“看”的解释来解释光以外的东西,会发生什么?奥宾旨在做到这一点:从光中发现什么是不可见的,但在质量方面是可见的。

Aubin和他的团队(Bennett Atwater '20,Hantao“Tony”Yu'22,博士候选人Andrew Rotunno和Shuangli Du,以及工作人员科学家Doug Beringer)正在开发一种利用超冷原子来发现地球引力扭曲的装置字段和“看”使用物质而不是光。

“光子对重力并不敏感,”奥宾说。 “对重力敏感的东西是具有质量的东西。它越重,它越敏感,原子比光子重。”

这个想法是模仿光学干涉测量的过程,这是一种通过监测光波长产生的相长干涉和相消干涉来进行测量的精确方法。这是一个全球科学家团队,包括威廉和玛丽的几个科学家,首次能够探测到引力波,这一成就值得诺贝尔奖。

“基本上,你采取光束并沿着两条路走,”奥宾说。 “一条路径将更接近某些东西,它的路径会因重力而扭曲。当光束重新组合时,你会读出相位差,它可以告诉你很多关于那里的东西。我们正在做同样的事情,除了原子而不是光子。“

如果我们离开我们舒适的牛顿物理世界并进入量子力学领域,质量和能量可以互换,并且所有物质都像原子级的波浪一样,那就非常有意义了。

“这个想法是用这种方法来测量地球的引力场到疯狂的精确度,让我们说十亿分之一,”奥宾说。 “这意味着你正在测量长度为9位的数字。所有信息都在最后一位数字中。最后一位数字告诉你引力场的变化。导致它变化的原因是质量,质量缺失,如隧道或洞穴,或额外的质量,如石油或铁或铀矿石。“

事实证明,如果你想要疯狂精确,你首先必须得到疯狂的冷。该实验室使用的原子冷却至约微克温度,接近绝对零度,理论上可能是最低温度。事实上,研究人员使用宇宙中最冷的物体 - 玻色 - 爱因斯坦凝聚物来校准他们的仪器。

“我们这么冷的原因之一是因为你不必去寻找量子力学,它会来寻找你,”奥宾说。 “无论你喜欢与否,事情都会像波浪一样开始。”

目前,该团队正在研究超冷铷和钾原子,这些原子使用一系列精心定位的激光器进行冷却。近一半的实验室空间专用于镜片,镜子和其他光学器件。它们都是为了制造完美的激光束,通过光纤电缆传输到原子转换区域。

“当你第一次看到它时,它看起来像一个巨大的混乱,”奥宾说,站在光学平台旁边。 “它并不凌乱,它的组织非常好。对于这里的大部分元素,如果你将它们移动10到100微米,那么什么都不会有效。”

Aubin将激光光子与雪球进行了比较。雪球在内部是冷的,但是当它被你的方式撞到你的皮肤时会感觉很热。那是因为雪球有很多动能。激光束中的光子也有很多能量,就像雪球一样,内部是冷的。

“激光光子是非常有活力的,所以如果你不聪明你如何将激光与材料相互作用,它就会变热,”奥宾说,“但如果你对你如何互动它很聪明,你实际上会转移寒冷在这种情况下,光子与其他东西,我们的原子。“

一旦原子冷却,它们就被保持在一个陷阱中,然后转移到一个支持微波磁场的方形英寸微芯片上。在将原子重新组合在一起之前,该场将用于将原子沿两条不同的路径发送,因此研究人员将测量原子波长以进行相长干涉或相消干涉。

“芯片是所有物理发生的地方,”奥宾说,“但为了让物理发生,你需要一整套设备。”

到目前为止,该团队已经成功地改变了两个原子的自旋方向,但他们还没有沿两条不同的路径发送原子。学习曲线大于预期可能部分归咎于此。

“事实证明,微波是一种黑暗的电气工程艺术,”奥宾说。 “它甚至没有教给物理学家很难,所以我们自己也在教微波工程。”

一个本科生团队正在设计微波电路来为芯片供电。他们不得不在内部进行大部分制作工作,Aubin说,他们指着实验室周围分散的各种电子产品。

“我们构建了大部分我们需要的东西,”奥宾说。 “通常你不能买它,因为这些东西根本不存在。如果你是第一次做某事,你必须发明自己的工具。”

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