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Detección inercial basada en levitación

La detección inercial basada en la levitación es una técnica nueva y de rápido crecimiento para medir la aceleración lineal , la rotación y la orientación de un cuerpo. Basándos...

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La detección inercial basada en la levitación es una técnica nueva y de rápido crecimiento para medir la aceleración lineal , la rotación y la orientación de un cuerpo. Basándose en esta técnica, los sensores inerciales, como los acelerómetros y los giroscopios , permiten una detección inercial ultrasensible. [1] [2] Por ejemplo, el mejor acelerómetro del mundo utilizado en el experimento en vuelo LISA Pathfinder se basa en un sistema de levitación que alcanza una sensibilidad de y un ruido de . [3] < 10 − 15 gramo / yo el {\displaystyle <10^{-15}\,{\rm {g}}/{\sqrt {\rm {Hz}}}} < 10 − 14 metro / s 2 / yo el {\displaystyle <10^{-14}\,{\rm {m/s^{2}/{\sqrt {Hz}}}}}

Historia

El trabajo pionero relacionado con la levitación de micropartículas fue realizado por Artur Ashkin en 1970. Demostró el atrapamiento óptico de microesferas dieléctricas por primera vez, formando un sistema de levitación óptica, utilizando un rayo láser enfocado en aire y líquido. [4] Esta nueva tecnología fue posteriormente denominada " pinza óptica " y se aplicó en bioquímica y biofísica . [5] Más tarde, se lograron avances científicos significativos en sistemas levitados ópticamente, por ejemplo, el enfriamiento del centro de movimiento de masa de una micro o nanopartícula en el régimen milikelvin. [6] [7] Muy recientemente, un grupo de investigación publicó un artículo que muestra el enfriamiento del estado fundamental cuántico de movimiento de una nanopartícula levitada. [8] Además, también se han propuesto y realizado la levitación basada en enfoques electrostáticos [9] [10] y magnéticos [11] [12] [13] [14] [15] .

Los sistemas de levitación han demostrado una alta sensibilidad a la fuerza en este  rango. Por ejemplo, se ha demostrado que una partícula dieléctrica levitada ópticamente exhibe sensibilidades de fuerza superiores a ~ . [16] Por lo tanto, los sistemas de levitación son prometedores para la detección de fuerza ultrasensible, como la detección de interacciones de corto alcance. [17]  Al levitar micropartículas o mesopartículas con una masa relativamente grande, este sistema se puede emplear como un sensor inercial de alto rendimiento, demostrando una sensibilidad nano-g. [18] [19] el norte / yo el {\displaystyle {\rm {zN/{\sqrt {Hz}}}}} 2 × 10 − 20 norte / yo el {\displaystyle 2\times 10^{-20}\,{\rm {N/{\sqrt {Hz}}}}}

Método

Un posible principio de funcionamiento de un sistema de detección inercial basado en la levitación es el siguiente: al hacer levitar un microobjeto en el vacío y después de un proceso de enfriamiento, se puede controlar el movimiento del centro de masa del microobjeto y acoplarlo a los estados cinemáticos del sistema. Una vez que cambia el estado cinemático del sistema (en otras palabras, el sistema experimenta una aceleración lineal o rotacional), el movimiento del centro de masa del microobjeto levitado se ve afectado y produce una señal. Esta señal está relacionada con los cambios de los estados cinemáticos del sistema y se puede leer.

Respecto a las técnicas de levitación, generalmente existen tres enfoques diferentes: óptico, electrostático y magnético.

Aplicaciones

La sensibilidad de fuerza de sub-attonewton del sistema basado en levitación podría mostrar promesas para aplicaciones en muchos campos diferentes, como la detección de fuerza de Casimir , la detección de ondas gravitacionales y la detección inercial. [1] [2] Para la detección inercial, el sistema basado en levitación podría usarse para fabricar acelerómetros y giroscopios de alto rendimiento empleados en unidades de medición inercial (IMU) y sistemas de navegación inercial (INS). Estos se utilizan en aplicaciones como la navegación con drones en túneles y minas, la guía de vehículos aéreos no tripulados (UAV) o la estabilización de  microsatélites . Los sensores inerciales basados ​​en levitación que tienen suficiente sensibilidad y bajo nivel de ruido ( ) para mediciones en la banda sísmica ( a ) se pueden usar en el campo de la sismometría , en el que los sensores inerciales actuales no pueden cumplir con los requisitos. [20] < 10 − 9 metro / s 2 / yo el {\displaystyle <10^{-9}\,{\rm {m/s^{2}/{\sqrt {Hz}}}}} 0,1 metro yo el {\displaystyle {\rm {0,1\,mHz}}} 10 yo el {\displaystyle {\rm {10\,Hz}}}

Ya existen algunos productos comerciales en el mercado. Un ejemplo es el sensor de gravedad superconductor iOSG, que se basa en la levitación magnética y muestra un ruido de . [21] < 1 ( norte metro / s 2 ) 2 yo el {\displaystyle <1\,{\rm {(nm/s^{2})^{2}Hz}}}

Ventajas

Las tendencias futuras en detección inercial requieren que los sensores inerciales tengan un menor costo, un mayor rendimiento y un tamaño más pequeño. [22] Los sistemas de detección inercial basados ​​en levitación ya han demostrado un alto rendimiento. Por ejemplo, el acelerómetro utilizado en el experimento en vuelo LISA Pathfinder tiene una sensibilidad de y un ruido de . [3] < 10 − 15 gramo / yo el {\displaystyle <10^{-15}\,{\rm {g/{\sqrt {Hz}}}}} < 10 − 14 metro / s 2 / yo el {\displaystyle <10^{-14}\,{\rm {m/s^{2}/{\sqrt {Hz}}}}}

Referencias

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  2. ^ ab Millen, James; et al. (2020). "Optomecánica con partículas levitadas". Informes sobre el progreso en física . 83 (2): 026401. arXiv : 1907.08198 . Bibcode :2020RPPh...83b6401M. doi :10.1088/1361-6633/ab6100. PMID  31825901. S2CID  197935259.
  3. ^ ab Armano, Michele; et al. (2016). "Caída libre sub-femto-g para observatorios de ondas gravitacionales basados ​​en el espacio: resultados del estudio pionero LISA". Physical Review Letters . 116 (23): 231101. Bibcode :2016PhRvL.116w1101A. doi : 10.1103/PhysRevLett.116.231101 . hdl : 2117/102419 . PMID  27341221.
  4. ^ Ashkin, Arthur (1970). "Aceleración y atrapamiento de partículas por presión de radiación". Physical Review Letters . 24 (4): 156–159. Código Bibliográfico :1970PhRvL..24..156A. doi : 10.1103/PhysRevLett.24.156 .
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