Alex Toyryla, ein leitender Physik-Major bei William & Mary, arbeitet mit einem Team von William & Mary-Physikern an einem Projekt, das vom Army Research Office des US-Verteidigungsministeriums finanziert wird, mit dem Ziel, ein Gerät zu entwickeln, das unsichtbare Bedrohungen wie Blindgänger erkennt .
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von Adrienne Berard
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12. Mai 2022
Alex Toyryla war 12 Jahre alt, als er zum ersten Mal erfuhr, dass ihn etwas Verborgenes töten könnte. 2013 zog seine Familie nach Laos, einem Land, auf das während des Vietnamkriegs 2,5 Millionen Tonnen US-Munition abgeworfen wurden – und ungefähr ein Drittel dieser Bomben explodierten nicht. Sie sind über ganz Laos verstreut, unter Ackerland begraben oder in Schluchten untergebracht, bereit zu explodieren.
Heute ist Toyryla ein leitender Physiker bei William & Mary und arbeitet mit einem Team von William & Mary-Physikern an einem Projekt, das vom Army Research Office des US-Verteidigungsministeriums finanziert wird, mit dem Ziel, ein Gerät zu entwickeln, das unsichtbare Bedrohungen wie Blindgänger erkennt .
„Wir haben dort drüben viele Bomben abgeworfen, und sie verursachen immer noch so viele Probleme“, sagte Toyryla. „In den letzten 50 Jahren waren die Fortschritte, sie loszuwerden, extrem langsam, daher könnte eine potenzielle Anwendung für das, was wir entwickeln, darin bestehen, dabei zu helfen, den Ort all dieser Munition zu lokalisieren.“
Toyryla ist vorsichtig, in hypothetischen Begriffen zu sprechen, denn das, was das Forscherteam entwickelt, hat ein extrem breites Anwendungspotenzial – von der Unterstützung bei Herzoperationen bis zum Aufspüren von Ölreserven, U-Booten und Massenvernichtungswaffen. Sie entwerfen ein Gerät mit der Fähigkeit zu sehen, was mit bloßem Auge unsichtbar ist.
Wenn Menschen an Sichtbarkeit denken, denken sie meistens an das Licht, das sie sehen können, erklärte W&M-Professorin für Physik Irina Novikova, die eine Hauptforscherin des Projekts ist. Für Quantenphysiker wie Novikova repräsentiert Sichtbarkeit die kürzeren Wellen innerhalb eines viel größeren Ozeans elektromagnetischer Strahlung.
Sowohl magnetische als auch elektrische Felder interagieren mit Materie, aber die Wechselwirkung eines elektrischen Felds ist normalerweise etwa 100-mal stärker als die des Magnetfelds, weshalb sich die meisten modernen Detektoren auf die „elektrische“ Seite der Optik konzentrieren. Novikova, ihre Studenten und Mitarbeiter am National Institute of Standards and Technology (NIST) und am Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickeln einen Detektor, der auf die „magnetische“ Seite abgestimmt ist.
„Unser Projekt besteht darin, ein Atommagnetometer zu bauen, d. h. ein Gerät, das Magnetfelder auf der Grundlage von Atomen misst“, sagte Novikova. „Was wir tun, unterscheidet sich sehr von vielen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet, weil wir nicht nur die Größe des Magnetfelds mit hoher Präzision messen wollen, sondern auch seine Richtung. Das liefert sehr wertvolle Informationen über das Objekt, das Sie gerade untersuchen.“
Größe und Richtung
Bestehende Atommagnetometer messen nur die Stärke eines Magnetfelds, nicht aber seine Richtung, erklärte Novikova. Dies gibt ein unvollständiges Bild davon, wie ein Objekt mit einem Magnetfeld interagiert, insbesondere wenn es über einen langen Zeitraum mit einem großen Magnetfeld interagiert.
„Jedes Magnetfeld ist ein erklärter Vektor“, erklärt Mario Gonzalez Maldonado, Leiter des Projekts und Postdoc-Forscher am Institut für Physik von W&M. „Das bedeutet, dass Sie sowohl seine Stärke als auch seine Richtung kennen müssen. Man kann nicht sagen, dass man wirklich weiß, was vor sich geht, wenn man nur die Veränderung einer dieser Variablen misst.“
Gonzalez Maldonado führt Experimente durch und analysiert Daten mithilfe künstlicher Intelligenz, um die kleinstmögliche magnetische Variation aufzuschlüsseln und zu visualisieren – ungefähr die Größe des Magnetfelds, das von einem schlagenden menschlichen Herzen erzeugt wird. Je kleiner die Veränderung, die er erkennen kann, desto größer ist die Reichweite der verborgenen Objekte, die er erkennen kann, was für das Projekt von wesentlicher Bedeutung ist, erklärte Novikova, da alles auf dem Planeten auf irgendeine Weise mit dem Magnetfeld der Erde interagiert.
„Im Moment sind vorhandene Atommagnetometer und einige supraleitende Magnetometer für die Messung sehr kleiner Magnetfelder ausgelegt, was bedeutet, dass es ein Problem gibt, wenn es um die Messung von Änderungen im Erdmagnetfeld geht“, sagte Novikova. „Unsere Methode ist intrinsisch kompatibel mit dem Betrieb im Erdmagnetfeld und der Betrachtung der kleinen Änderungen im Vergleich zum Erdmagnetfeld.“
Novikova fügt schnell hinzu, dass sie und ihre Physikerkollegen sich noch in der Sondierungsphase des Projekts befinden, das sich im ersten Jahr eines voraussichtlich vierjährigen Zeitrahmens befindet. Sie vergleicht die Arbeit mit dem Entwerfen einer Stimmgabel, die ständig neu entdeckt und neu interpretiert werden muss, während das Team mehr über die Frequenzen erfährt, die sie senden und empfangen kann.
„In gewisser Weise ist dies eine Art Resonanzabstimmung, aber es kommt nicht auf den Klang an“, erklärte sie. „Kleine Signale bei der richtigen Frequenz ergeben eine große optische Antwort. Hören ist jedoch eine gute Analogie, weil wir triangulieren, um Geräuschen einen Sinn zu geben. Wir achten auf Änderungen der Frequenz oder Tonhöhe und wir achten auch auf Änderungen der Amplitude oder Größe, wenn es lauter wird. Wir können uns kein klares Bild von dem machen, was wir hören, wenn wir nicht mehrere Variablen gleichzeitig berücksichtigen.“
Erkennung und Navigation
Für das Verteidigungsministerium ist die Erkennung magnetischer Anomalien, um versteckte Objekte wie U-Boote oder Zentrifugen zu lokalisieren, eindeutig eine vielversprechende potenzielle Anwendung für das Gerät, sagte Novikova, aber das Gerät könnte auch umgekehrt funktionieren. Wenn beispielsweise eine Variable wie die lokale Größe des Erdmagnetfelds bekannt ist, könnte das Gerät so programmiert werden, dass es nach der Richtung auflöst.
„Das würde bedeuten, dass das Gerät ein leistungsfähiges Navigationswerkzeug sein könnte“, erklärte Novikova. „Es würde das Feld der Erde anstelle von GPS verwenden, was offensichtlich auch für das Verteidigungsministerium attraktiv ist – GPS-lose Navigation.“
Die präzise Messung von Magnetfeldern erfordert den Einsatz einer Vielzahl von Instrumenten, die sich alle ein breites Spektrum physikalischer Phänomene zunutze machen, erklärte Novikova. Das Team feuert Infrarotlaser, die auf bestimmte Frequenzen eingestellt sind, durch eine Reihe von Linsen in eine kochtopfgroße magnetische Abschirmkammer, die Rubidium-Atomdampf enthält. Der Dampf interagiert mit dem Laserlicht so, dass anhand seiner Absorption die Magnetfeldstärke und -richtung bestimmt werden können.
„Wenn wir den Winkel des Magnetfelds oder seine Richtung ändern, ändert sich die Übertragung durch die Kammer bei bestimmten Frequenzen, sodass wir die Grundlage für den Winkel und die Stärke des Felds im Vergleich zu unserem System zu einem bestimmten Zeitpunkt haben “, sagte Toyryla, der nach seinem Abschluss in diesem Monat der Optikgruppe am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory beitreten wird.
Das ultimative Ziel des Magnetometers ist es, Genauigkeit, Langzeitstabilität und Vektormessfähigkeit in einer einzigen Sensoreinheit zu kombinieren, die ungefähr die Größe eines Computerchips hat, erklärte Toyryla. Das Gerät ist elektromagnetisch geräuschlos und erzeugt keinerlei Felder außerhalb des Sensormesswerts. In einem so kleinen Maßstab wird es sowohl kommerziell rentabel sein als auch ein System haben, das klein genug ist, um Störungen zu begrenzen.
„Wir verwenden die Atomphysik, um Sensoren zu bauen, weil Atome wirklich zuverlässig sind“, sagte Novikova. „Ein Atom ist eine absolute Stimmgabel, die ihren Ton nicht ändert und wir wissen ziemlich genau, welche Frequenzen sie erklingen lassen kann. Sie sind sehr stabil und von der Umgebung isoliert, sodass Temperatur und Druck ihnen nichts anhaben können. Wenn Sie etwas mit extremer Genauigkeit messen möchten, verbinden Sie sich mit atomaren Frequenzen. Was wir entwickeln, wird ein sehr präzises Gerät sein.“