Физики из Университета Колорадо сделали то, что многие считали невозможным: они измерили ускорение сразу в трех измерениях с помощью облака атомов, охлажденных до невероятно низких температур.

Их устройство — новый тип атомного интерферометра — в будущем может точно определять положение подводных лодок, космических кораблей и даже автомобилей.

Обычные атомные интерферометры работают только в одном измерении, но мы живем в трехмерном мире, — говорит Кендалл Мехлинг, соавтор исследования. — Чтобы понимать, куда я движусь, мне нужно отслеживать ускорение по всем осям.

Устройство выглядит как лабораторный стол размером с стол для аэрохоккея. Внутри — десятки тысяч атомов рубидия, удерживаемых шестью тончайшими лазерами. С помощью искусственного интеллекта ученые управляют этими лазерами, заставляя атомы реагировать на малейшие ускорения — например, на нажатие педали газа в машине.

Пока технология не может конкурировать с GPS и классическими акселерометрами, но у нее есть ключевое преимущество: атомы не изнашиваются со временем.

Пружины в механических часах со временем деформируются, а атомы — нет, — объясняет Мехлинг.

Как это работает

• Атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, превращая в конденсат Бозе — Эйнштейна (квантовое состояние материи).
• Лазеры «раскалывают» атомы, заставляя их существовать в двух местах одновременно (квантовая суперпозиция).
• Когда атомы снова соединяются, они образуют уникальный узор, по которому можно определить ускорение.

Конденсат Бозе — Эйнштейна — состояние материи, при котором множество атомов охлаждаются почти до абсолютного нуля и начинают вести себя как один гигантский «суператом», подчиняясь законам квантовой механики.

Представьте пруд с волнами из атомов, — говорит Мюррей Холланд, руководитель исследования. — Мы бросаем в него «камешки» из света, волны расходятся, отражаются и сталкиваются. По их интерференции мы вычисляем ускорение.

На создание устройства ушло три года. Сейчас оно измеряет ускорения в тысячи раз слабее земного притяжения, но ученые работают над улучшением точности.

Мы только открыли дверь в новую область, — говорит Холланд.

Это исследование может перевернуть навигацию в местах, где GPS недоступен: под водой, в глубоком космосе или под землей. Атомные интерферометры не зависят от спутников и не «дрейфуют» со временем, как механические датчики. Их можно использовать в автономных роботах, геологоразведке или даже в медицине — например, для точного отслеживания движений хирургических инструментов.

Главный минус — сложность и громоздкость системы: пока она требует лазеров, вакуума и сверхнизких температур. Для массового применения технологию нужно упростить и миниатюризировать, а на это могут уйти десятилетия.

Ранее российские ученые создали прибор, увеличивающий эффективность химических реакций.