Các nhà khoa học đang phát triển một cảm biến lượng tử tiên tiến cho quỹ đạo Trái Đất thấp, có khả năng phát hiện những rung động nhỏ nhất trong lực hấp dẫn của Trái Đất. Những dao động gần như không thể cảm nhận được này — do nước di chuyển, hoạt động kiến tạo hoặc sự dịch chuyển của đá — cung cấp manh mối về những gì nằm bên dưới bề mặt hành tinh, và thậm chí có thể đo được khối lượng của một dãy núi chẳng hạn..
Theo nhóm phát triển thiết bị, thiết bị mới này có thể cho phép lập bản đồ các cấu trúc ngầm như tầng chứa nước và mỏ khoáng sản — những dữ liệu quan trọng cho điều hướng, quản lý tài nguyên và an ninh quốc gia.
“Chúng ta có thể xác định khối lượng của dãy Himalaya chỉ bằng các nguyên tử,” Jason Hyon, Giám đốc công nghệ Khoa học Trái Đất tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA ở Nam California và Giám đốc Trung tâm Đổi mới Không gian Lượng tử của JPL, cho biết trong một tuyên bố ngày 15-4.
Các cảm biến lượng tử, như thiết bị Thử nghiệm Cảm biến Trọng lực Lượng tử (QGGPf) do JPL, các công ty tư nhân và các tổ chức học thuật phát triển, sử dụng các đám mây nguyên tử được thả rơi tự do và làm lạnh gần tới độ không tuyệt đối.
Khi rơi, các tia laser hoạt động như gương và bộ chia tia, tách các nguyên tử ra rồi đưa chúng trở lại với nhau. Cách các nguyên tử giao thoa khi tái hợp tiết lộ mức độ chúng bị gia tốc bởi trọng lực, cho phép các nhà khoa học đo lường những thay đổi nhỏ nhất trong trọng lực với độ chính xác cực cao.
Những công cụ tiên tiến này, dựa trên kỹ thuật gọi là giao thoa nguyên tử, nhạy hơn nhiều so với các thiết bị truyền thống — và vẫn đang tiếp tục được cải tiến. Các nhà nghiên cứu hiện đang tinh chỉnh công nghệ để tăng độ chính xác và độ bền hơn nữa.
“Với nguyên tử, tôi có thể đảm bảo rằng mỗi phép đo đều giống nhau. Chúng tôi ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường hơn,” Sheng-wey Chiow, nhà vật lý thực nghiệm tại JPL, nói trong cùng tuyên bố.
Vì sử dụng nguyên tử thay vì các bộ phận cơ khí cồng kềnh, cảm biến QGGPf có kích thước rất nhỏ gọn — chỉ bằng một chiếc máy giặt cỡ nhỏ — và nặng khoảng 125 kg. Điều đó khiến nó nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với các thiết bị đo trọng lực trong không gian truyền thống — một lợi thế lớn trong các sứ mệnh không gian, nơi mà kích thước, trọng lượng và chi phí phóng bị giới hạn nghiêm ngặt.
NASA dự kiến sẽ thử nghiệm cảm biến mới này trong không gian vào cuối thập kỷ này. Sứ mệnh trình diễn công nghệ sẽ đưa một loạt công cụ tiên tiến vào thử nghiệm, nhằm khám phá giới hạn của tương tác giữa ánh sáng và nguyên tử ở quy mô cực nhỏ.
“Chưa ai từng thử phóng một thiết bị như thế này,” Ben Stray, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại JPL, cho biết. “Chúng tôi cần đưa nó lên không gian để xem nó hoạt động tốt đến đâu, và điều đó không chỉ giúp chúng tôi phát triển cảm biến trọng lực lượng tử, mà còn thúc đẩy công nghệ lượng tử nói chung.”
Bản đồ trọng lực của Trái Đất. Màu đỏ biểu thị các khu vực có lực hấp dẫn mạnh hơn, còn màu xanh biểu thị các khu vực có lực yếu hơn. Một cảm biến trọng lực lượng tử đạt chuẩn khoa học có thể giúp tạo ra những bản đồ như thế này với độ chính xác chưa từng có. (Ảnh: NASA)
