Sensor gravitacional quântico abre janela para o mundo subterrâneo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/02/2022

Aparelho real em teste e esquema do sensor gravitacional quântico.
[Imagem: Ben Stray et al. - 10.1038/s41586-021-04315-3]

Gradiômetro gravitacional quântico

A tão sensível tecnologia quântica deu a prova definitiva de que pode sair dos laboratórios para operações do mundo real.

Um sensor que funciona explorando princípios da mecânica quântica foi usado para encontrar um encanamento localizado um metro abaixo da superfície.

Ben Stray e seus colegas da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, conseguiram o feito histórico criando um equipamento de medição chamado "gradiômetro gravitacional quântico".

A gradiometria gravitacional mede variações no campo gravitacional da Terra, criando gradientes gravitacionais - a taxa espacial de variação da aceleração gravitacional - que permitem estudar o subsolo sem a necessidade de fazer escavações. Ela é usada principalmente para pesquisas minerais.

Mas os sensores de gravidade atuais são limitados por uma série de fatores ambientais. Um dos problemas mais sérios é a vibração, que limita o tempo de medição. Se essas limitações puderem ser superadas, as pesquisas e levantamentos geológicos podem se tornar mais rápidos, mais abrangentes e de menor custo.

Por paradoxal que possa parecer, Stray e seus colegas foram buscar a solução na mecânica quântica, que é caracteristicamente muito sensível a qualquer coisa do ambiente.

A grande inovação está na blindagem de todo o sensor, que se tornou imune à maior parte das interferências.
[Imagem: Ben Stray et al. - 10.1038/s41586-021-04315-3]

Como funciona o sensor gravitacional quântico

O sensor de gravidade quântica baseia-se na interferometria atômica, que tem sido usada em experimentos de laboratório para medições da gravidade com alta sensibilidade. Essas medições incluem estudos sobre o princípio de equivalência, a constante de estrutura fina e a constante gravitacional de Newton.

Esses equipamentos medem mudanças sutis na força de atração dos campos gravitacionais conforme uma nuvem de átomos resfriados é movimentada de cima para baixo. Quanto maior o objeto e quanto maior a diferença de densidade do objeto em relação ao seu entorno, mais forte será a diferença mensurável na atração.

Para permitir a cartografia gravitacional e a operação em condições reais de campo, a equipe desenvolveu uma série de técnicas para lidar com a vibração, a inclinação do instrumento e a interferência dos campos magnéticos e térmicos.

As principais inovações estão na construção do gradiômetro gravimétrico de átomos frios em formato de ampulheta - que permite fazer medições diferenciais acopladas em duas nuvens de átomos, separadas por uma linha de base vertical -, e em duas armadilhas magneto-ópticas de feixe único contra-orientadas - que permitem a passagem dos feixes de luz para realizar a interferometria.

"A operação diferencial suprime as fontes primárias de ruído (vibração e microssísmica), deslocamentos sistemáticos (como inclinação) e mudanças no comprimento do caminho óptico entre os feixes usados para conduzir as transições Raman. A semelhança do ruído de intensidade do laser para os feixes de resfriamento das armadilhas magneto-ópticas de feixe único permite que as flutuações de temperatura das nuvens sejam estáveis dentro de algumas centenas de nanokelvins," detalhou a equipe.

O sensor quântico deverá viabilizar uma série de estudos e análises hoje impraticáveis.
[Imagem: Ben Stray et al. - 10.1038/s41586-021-04315-3]

Da mineração à arqueologia

Os testes de campo indicam que futuras pesquisas gravimétricas poderão ser mais baratas, mais confiáveis e pelo menos 10 vezes mais rápidas, reduzindo o tempo necessário para pesquisas de meses para dias. O sensor quântico deverá não apenas resolver os problemas das aplicações atuais, como também abrir uma gama de novas aplicações, fornecendo uma nova lente para o subsolo.

"A detecção de condições do subsolo, como minas, túneis e terrenos instáveis, é fundamental para nossa capacidade de projetar, construir e manter habitações, indústrias e infraestrutura. A capacidade aprimorada que essa nova tecnologia representa pode transformar a forma como mapeamos o terreno e entregamos esses projetos," disse o professor George Tuckwell.

Além das reduções nos custos e prazos em projetos de construção civil e localização de novas reservas minerais, a equipe cita como áreas que podem usufruir dos benefícios do novo sensor quântico a melhor previsão de fenômenos naturais, como erupções vulcânicas, e a descoberta de sítios arqueológicos de forma não-invasiva, guiando as escavações para evitar danos às estruturas enterradas, entre outras.

"Os parâmetros do sensor são compatíveis com aplicações em mapeamento de aquíferos e avaliação de impactos no lençol freático, arqueologia, determinação de propriedades do solo e teor de água e redução do risco de condições imprevistas do solo na construção de infraestruturas críticas de energia, transporte e serviços públicos, proporcionando uma nova janela para o subsolo," escreveu a equipe.

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