Новый квантовый гравитационный датчик может заглянуть под поверхность Земли с беспрецедентной детализацией

Ученые смогли бы узнать гораздо больше о том, что находится под землей, если бы нашу планету можно было разрезать на части и рассмотреть в поперечном разрезе, но поскольку это невозможно, им приходится полагаться на различные другие методы.

Один из новых подходов только что был доказан на практике: Недавно разработанное устройство под названием квантовый гравитационный градиентометр было использовано для успешного обнаружения туннеля, зарытого на метр (чуть более 3 футов) под землей.

Обычные датчики гравитации работают, сравнивая небольшие различия в положении одинаковых световых волн. Это хорошо работает для больших структур, но для небольших скрытых объектов дрожь и тряска земли, оборудование и даже случайные тепловые вибрации делают все более трудным разглядеть детали.

Квантовый гравитационный датчик добавляет фильтр, который использует волнообразную природу атомов в свободно падающих ультрахолодных облаках, радикально улучшая разрешение датчика. Почти незаметные различия в том, как гравитация воздействует на эти атомы, позволяют определить состав грунта под землей, выделяя провалы в земле, например, туннели.

"Это "момент Эдисона" в зондировании, который изменит общество, человеческое понимание и экономику", - говорит физик Кай Бонгс из Бирмингемского университета в Великобритании.

Благодаря этому прорыву мы можем покончить с зависимостью от плохих записей и удачи при исследовании, строительстве и ремонте". Кроме того, подземная карта невидимых в настоящее время территорий стала еще на один шаг ближе, положив конец ситуации, когда мы знаем об Антарктиде больше, чем о том, что лежит в нескольких футах под нашими улицами".

Новый прибор представляет собой разновидность атомного интерферометра - устройства, разработка которого ведется уже более 20 лет. Сложность заключалась в том, чтобы придать им такой размер и форму, чтобы их можно было устанавливать практически под открытым небом.

Теперь, когда квантовый гравитационный градиентометр прошел свое первое испытание в реальных условиях за пределами лаборатории, он имеет большой потенциал для использования в любых сценариях, где нам необходимо знать, что находится под землей.

Это может быть, например, закладка фундамента для новой системы метро или попытка предсказать извержение вулкана. Новый прибор дешевле, быстрее и полнее, чем многие имеющиеся в настоящее время альтернативы, а также должен быть более надежным при составлении карт.

В частности, датчик лучше отсекает помехи от вибраций, колебаний температуры и сдвигов магнитного поля - все это может затруднить работу оборудования, чтобы определить, что находится под землей.

"Обнаружение грунтовых условий, таких как горные выработки, туннели и нестабильный грунт, имеет фундаментальное значение для нашей способности проектировать, строить и поддерживать жилье, промышленность и инфраструктуру", - говорит геофизик Джордж Таквелл из Бирмингемского университета.

"Улучшенные возможности, которые дает эта новая технология, могут изменить наши методы картирования грунта и реализации этих проектов".

Хотя это "новое окно в подземный мир" уже работает, все еще существуют некоторые ограничения в отношении размера и глубины структур, которые могут быть обнаружены, а также в отношении того, насколько плотность структуры должна отличаться от ее окружения.

Разработка устройства будет продолжена, и исследователи уверены, что в будущем его можно будет сделать более портативным и удобным в использовании. По словам команды, создавшей датчик, его чувствительность может возрасти в 100 раз при дальнейшем изучении.

"Ожидается, что такие характеристики будут достигнуты в практических приборах в течение следующих 5-10 лет", - пишут исследователи в опубликованной работе.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.