ابزار بسیار حساس سیگنال های اتمی را ۱۰۰۰ برابر برای پژوهش در ماده تاریک تقویت می کند
محققان دانشگاه نورث وسترن ابزاری بسیار حساس ابداع کرده‌اند که سیگنال‌های بسیار ضعیف را ۱۰۰۰ برابر تقویت می‌کند، و بهبودی ۵۰ برابری نسبت به روش‌های قبلی به دست آورده‌اند.
این پیشرفت می‌تواند به کشف تعاملات ظریف ماده تاریک با ماده عادی کمک کند که حتی توسط حساس‌ترین ابزارها نیز غیرقابل شناسایی باقی مانده‌اند.
این ابزار بسیار دقیق، به نام تداخل‌سنج اتمی، از نور برای حرکت اتم‌ها به منظور اندازه‌گیری نیروهای بسیار کوچک استفاده می‌کند. با این حال، دستگاه جدید به طور خودکار این نقص‌ها را تصحیح می‌کند تا به دقت بی‌نظیری دست یابد، بر خلاف سایر تداخل‌سنج‌های اتمی که به دلیل نقص‌های موجود در خود نور محدود هستند.
این تیم ادعا می‌کند که فناوری می‌تواند سیگنال‌های غیرقابل تشخیص را تقویت کند و به دانشمندان در کشف نیروهای فوق‌العاده ضعیف از پدیده‌هایی مانند ماده تاریک، انرژی تاریک و امواج گرانشی در محدوده‌های جدید فرکانسی کمک کند.
کشف رازهای تاریک
ماده تاریک چالش بزرگی در فیزیک ایجاد می‌کند. در حالی که ماده عادی که تنها ۱۵ درصد از جهان را تشکیل می‌دهد به خوبی درک شده است، ماهیت ۸۵ درصد باقی‌مانده همچنان ناشناخته است.
به گفته محققان، شکاف در دانش، ناقص بودن درک ما را برجسته می‌کند. تداخل‌سنج‌های اتمی ممکن است نقش مهمی در پیشبرد جستجو برای ماده تاریک ایفا کنند.
تداخل‌سنج‌های اتمی در سال ۱۹۹۱ ایجاد شدند و از ابرپوشش، یک ایده بنیادی در مکانیک کوانتومی که به ذره امکان می‌دهد بیش از یک حالت را به طور همزمان تجربه کند، استفاده می‌کنند. در این مورد، یک اتم مانند یک موج عمل می‌کند که به طور همزمان در دو جهت وجود دارد.
یک اتم موج‌گونه توسط لیزرها در تداخل‌سنج اتمی به دو موج تقسیم می‌شود و سپس امواج را در دو مسیر مجزا ارسال می‌کند قبل از اینکه دوباره آن‌ها را ترکیب کند. الگوی ایجاد شده توسط ترکیب دوباره امواج مشابه یک اثر انگشت است و نیروهایی که بر اتم‌ها عمل می‌کنند را نشان می‌دهد.
“تداخل‌سنج‌های اتمی در اندازه‌گیری نوسانات کوچک در فواصل بسیار خوب هستند. ما نمی‌دانیم ماده تاریک چقدر قوی است، بنابراین می‌خواهیم ابزارهای ما تا حد امکان حساس باشند. زیرا هنوز ‘اثر’ ماده تاریک را ندیده‌ایم، می‌دانیم که اثرات آن باید بسیار ضعیف باشد،” گفت تیموتی ال. کوواچی، استاد کمک فیزیک و اخترشناسی در دانشگاه نورث وسترن و سرپرست تحقیق، در یک بیانیه .
به گفته تیم، کار با چنین امواج کوچکی بسیار حساس به اختلالات است. حتی یک نقص کوچک می‌تواند الگوی تداخل را دچار اعوجاج کند. یک فوتون می‌تواند مسیر یک اتم را تغییر دهد و آن را با سرعت یک سانتیمتر بر ثانیه جابجا کند. در حالی که یک اتم از دست رفته ممکن است مهم به نظر نرسد، اما پالس‌های لیزری مکرر برای تقویت سیگنال‌ها می‌توانند به سرعت اشتباه‌ها را ترکیب کرده و باعث شوند سیگنال بعد از چند پالس ناپدید شود.
تقویت دقت سیگنال
تیم روشی جدید برای برنامه‌ریزی دقیق الگوی پالس لیزری برای دور زدن این مانع ابداع کرد.
این تکنیک از تکنیک‌های یادگیری ماشین برای ̶۰;تصحیح خودکار” خطاهای پالس‌های نوری فردی استفاده می‌کند. محققان با تنظیم الگوهای پالس لیزری، تأثیر کلی خطاهای ایجاد شده توسط نقص‌های دستگاه تجربی را کاهش دادند.
تیم بعد از ارزیابی مدل در شبیه‌سازی‌ها، آزمایش را در آزمایشگاه ساخت. آزمایش‌ها تأیید کردند که سیگنال ۱۰۰۰ برابر تقویت شده است.
“قبل از این، ما فقط می‌توانستیم 10 پالس لیزری انجام دهیم؛ اکنون می‌توانیم 500 انجام دهیم. این می‌تواند برای بسیاری از کاربردها تغییر دهنده بازی باشد. تداخل‌سنج اتمی به عنوان یک کلیت برای نقص‌های هر پالس لیزری ‘خود تنظیم’ می‌کند،” گفت کوواچی، در بیانیه‌ای.
محققان تاکید می‌کنند که در حالی که پالس‌های لیزری فردی نمی‌توانند کامل شوند، بهینه‌سازی کل توالی می‌تواند نقص‌ها را جبران کند. این رویکرد می‌تواند پتانسیل کامل تداخل سنجی اتمی را باز کند.
“با توجه به فراگیر بودن گسیل خودبه‌خودی در سیستم‌های کوانتومی ، این نتایج ممکن است برای بهبود عملکرد مجموعه‌ای متنوع از حسگرهای کوانتومی ارزشمند باشد. ما انتظار داریم یافته‌های ما به طور قابل توجهی عملکرد تداخل‌سنج‌های موج ماده را برای انواع کاربردها، از جمله ماده تاریک، انرژی تاریک و شناسایی امواج گرانشی بهبود بخشد،” گفت تیم در مقدمه مطالعه.
جزئیات تحقیق تیم در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
