天目Tech+英国科学家研发出量子重力梯度仪 可精确测量地下结构

近日，英国伯明翰大学科研人员Michael Holynski等研发出了一款基于量子传感器的重力梯度仪，可用于地下勘测，有望为绘制地质结构图、无挖掘考古等做出贡献。

2月24日凌晨，相关成果登上《自然》杂志。

重力，存在于地球和万物之间。科学家们通过测量地球上的重力场数据，可确定地球内部岩石圈的结构、密度等。

如何获取地球上重力场数据？在传统方法中，经典重力仪就像一个高度灵敏的弹簧秤，“弹簧系统”会随重力变化产生位移。科学家们通过观测位移，来测定重力变化。不过这种测量方式往往耗时费力，单个数据点测量就需要几十分钟，测量精度也有提升空间。

量子重力梯度仪探测地下隧道示意图 图片来自《自然》杂志

伯明翰大学团队另辟蹊径，基于量子力学原理，研发出了一款更实用的重力梯度仪——从微观层面，使用超冷原子来感应重力变化，15分钟内，即可收集10个地点的重力梯度数据。

实际上，利用量子特性进行重力测量并非新鲜事。早在20年多前，已有科学家用原子干涉仪进行重力场测量实验。

在原子重力仪中，光脉冲装置会产生、分离和重组微观粒子，使它们相互干扰，从而探测局部重力场，即可得到精确数据。

重力梯度仪资料图 图片来自《自然》杂志

不过，此次伯明翰大学团队研发出的探测仪，并非直接探测重力场的绝对数据，而是探测重力梯度——即重力场强度在垂直方向上的变化率，这类数据能够更灵敏地反映重力的局部变化。

据《自然》杂志报道，这款量子重力梯度仪采用了沙漏结构。利用该结构，他们能对垂直间隔一米的两个超冷铷原子云（铷是一种金属元素）进行了差分测量，从而获取高精度数据。

通过对微小引力信号的测量，量子重力梯度仪能够无损地感应到地表之下的情况。在应用层面，利用该仪器，团队已在一条8.5米的街道路面下，探测到了一条横截面积为2平方米的隧道。

《自然》杂志评论认为，这项研究成果，可能会极大地改变重力测量学的应用范畴，有望用于工程建设和环境探测等领域。