Квантовый гироскоп на сверхтекучем гелии: самый чувствительный детектор вращения.
Quantum gyroscope
Квантовый гироскоп: сверхчувствительный прибор для измерения вращения, основанный на квантовой механике и эффекте Джозефсона. Обнаружение малейших изменений!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Устройство, используемое для ориентации на основе квантовой механики, – это наиболее чувствительная версия. Квантовый гироскоп – это высокочувствительный прибор для измерения угловой скорости, основанный на принципах квантовой механики. Первый такой гироскоп был создан Ричардом Паккардом и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли. Благодаря исключительной чувствительности, теоретически, более крупная версия могла бы обнаруживать такие эффекты, как малейшие изменения скорости вращения Земли.
Device used for orientation based on quantum mechanics, it is the most sensitive version
A quantum gyroscope is a very sensitive device to measure angular rotation based on quantum mechanical principles. The first of these was built by Richard Packard and his colleagues at the University of California, Berkeley. The extreme sensitivity means that theoretically, a larger version could detect effects like minute changes in the rotational rate of the Earth.
Принцип
В 1962 году аспирант Кембриджского университета Брайан Джозефсон предположил, что электрический ток может проходить между двумя сверхпроводящими материалами, даже если они разделены тонким изолирующим слоем. Термин «эффект Джозефсона» стал использоваться для обозначения различных явлений, наблюдаемых в любых двух слабо связанных макроскопических квантовых системах – системах, состоящих из молекул, обладающих идентичными волновыми свойствами. В частности, эффект Джозефсона означает, что при соединении двух сверхтекучих жидкостей (жидкостей без трения) посредством слабого звена и приложении давления к сверхтекучей жидкости с одной стороны этого звена, жидкость будет колебаться, перемещаясь с одной стороны слабого звена на другую. Это явление, известное как «квантовый свист», возникает при приложении давления, чтобы протолкнуть сверхтекучую жидкость через очень маленькое отверстие, подобно тому, как звук возникает при продувании воздуха через обычный свисток. Кольцеобразная трубка, заполненная сверхтекучей жидкостью и перекрытая барьером с крошечным отверстием, теоретически может быть использована для обнаружения разницы давлений, вызванных изменениями вращательного движения кольца, фактически функционируя как чувствительный гироскоп. Квантовый свист впервые был продемонстрирован с использованием гелия-3, который имеет недостаток в виде дефицита и высокой стоимости, а также требует чрезвычайно низких температур (несколько тысячных Кельвина). Обычный гелий-4, остающийся сверхтекучим при 2 Кельвинах, гораздо более практичен, но его квантовый свист слишком слаб, чтобы быть услышанным через одно отверстие разумного размера. Эта проблема была решена путем использования барьеров с тысячами отверстий, по сути, хора квантовых свистков, генерирующих звуковые волны, которые усиливают друг друга за счет конструктивной интерференции.
In 1962, Cambridge University PhD student Brian Josephson hypothesized that an electric current could travel between two superconducting materials even when they were separated by a thin insulating layer. The term Josephson effect has come to refer generically to the different behaviors that occur in any two weakly connected macroscopic quantum systems—systems composed of molecules that all possess identical wavelike properties. Among other things, the Josephson effect means that when two superfluids (zero friction fluids) are connected using a weak link and pressure is applied to the superfluid on one side of a weak link, the fluid will oscillate from one side of the weak link to the other. This phenomenon, known as quantum whistling, occurs when pressure is applied to push a superfluid through a very small hole, somewhat as sound is produced by blowing air through an ordinary whistle. A ring shaped tube full of superfluid, blocked by a barrier containing a tiny hole, could in principle be used to detect pressure differences caused by changes in rotational motion of the ring, in effect functioning as a sensitive gyroscope. Superfluid whistling was first demonstrated using helium 3, which has the disadvantage of being scarce and expensive, and requiring extremely low temperature (a few thousandths of a Kelvin). Common helium 4, which remains superfluid at 2 Kelvin, is much more practical, but its quantum whistling is too weak to be heard with a single practical sized hole. This problem was overcome by using barriers with thousands of holes, in effect a chorus of quantum whistles producing sound waves that reinforced one another by constructive interference.
Уравнение
Где **ω** — вектор вращения, **A** — вектор площади, а **κ** — квант циркуляции гелия-3.
Where is the rotation vector, A is the area vector, and is the quantum of circulation of helium 3.