A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

Nel silenzioso ronzio di un laboratorio, gli scienziati cercano spesso di ascoltare i sussurri più deboli dell'universo. Per farlo, costruiscono strumenti in grado di rilevare i movimenti più infinitesimali, dal lento spostamento delle placche tettoniche al sottile tiro di un'onda gravitazionale passante. Questi dispositivi, noti come accelerometri, misurano quanto velocemente un oggetto cambia velocità o direzione. Per decenni, le versioni più sensibili di questi strumenti sono state ingombranti, costose e fragili, richiedendo spesso complessi sistemi elettrici che possono essere facilmente disturbati dai campi magnetici. Ciò ha reso difficile il loro utilizzo al di fuori di laboratori specializzati o sui satelliti, dove il peso e la potenza sono risorse preziose. L'obiettivo per i ricercatori è stato a lungo quello di creare un sensore abbastanza piccolo da stare in uno zaino, abbastanza leggero da essere lanciato nello spazio e abbastanza sensibile da sentire il respiro della Terra.

Un team di ricercatori dell'Università dell'Arizona ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo costruendo un sensore tridimensionale compatto che utilizza la luce per misurare il movimento. Inve fog di affidarsi all'elettricità per percepire il movimento, hanno costruito un dispositivo in cui un minuscolo blocco di vetro, sospeso da delicate molle di vetro, si muove quando viene scosso. Hanno poi utilizzato un laser per osservare questo movimento con estrema precisione. Il risultato è un sensore in grado di rilevare vibrazioni piccole quanto il ronzio naturale della Terra, noto come rumore sismico, in tre diverse direzioni contemporaneamente. Questo traguardo suggerisce che futuri satelliti potrebbero trasportare questi dispositivi piccoli e robusti per mappare la gravità del pianeta o navigare nello spazio senza la necessità di elettronica pesante e vorace di energia.

Il cuore di questo nuovo sensore è un design ingegnoso realizzato interamente da un unico pezzo di silice fusa, un tipo di vetro noto per la sua purezza e stabilità. Immaginate una piastra piatta di questo vetro, grande circa quanto un sottobicchiere grande, dalla quale i ricercatori hanno scavato una piccola massa di prova sospesa. Questa massa è tenuta in posizione da bracci molto sottili e flessibili che fungono da molle. Quando il sensore si muove, la massa di prova ritarda leggermente a causa dell'inerzia, tendendo queste molle di vetro. Per misurare questa minuscola estensione, i ricercatori proiettano un raggio laser sulla massa. Dividendo il laser e confrontando la luce che rimbalza sulla massa in movimento con la luce che rimbalza su uno specchio stazionario, possono rilevare cambiamenti di posizione più piccoli della larghezza di un atomo. Questo metodo, chiamato interferometria, permette loro di convertire il movimento fisico della massa di vetro in un segnale chiaro di accelerazione.

Il team ha costruito un sistema con tre di questi sensori disposti per misurare il movimento nelle direzioni X, Y e Z, creando di fatto una visione completa del movimento tridimensionale. Hanno collocato l'intero assemblaggio all'interno di una camera a vuoto per rimuovere l'interferenza delle molecole d'aria, che possono smorzare le delicate vibrazioni che stanno cercando di misurare. Per testare l'efficacia del funzionamento, hanno posizionato il dispositivo accanto a un sismometro commerciale standard di alta gamma, uno strumento utilizzato dai geologi per studiare i terremoti. Hanno poi registrato il movimento del suolo a Tucson, in Arizona, una regione con tipiche vibrazioni di fondo. I ricercatori hanno scoperto che il loro nuovo sensore in vetro poteva tracciare gli stessi movimenti del terreno del grande strumento commerciale, corrispondendo alle sue letture da frequenze molto basse fino a otto cicli al secondo. Questo accordo ha dimostrato che il loro piccolo dispositivo basato sul vetro era abbastanza sensibile da "ascoltare" le vibrazioni naturali della Terra.

Tuttavia, le prestazioni del sensore non erano identiche in tutte e tre le direzioni. I sensori che misurano il movimento laterale, ovvero gli assi X e Y, hanno funzionato eccezionalmente bene, raggiungendo un livello di rumore di 60 pico-g per radice quadrata di hertz a un hertz. Ciò significa che potevano rilevare accelerazioni incredibilmente deboli. Il terzo sensore, che misura il movimento verticale lungo l'asse Z, si è comportato diversamente mentre si trovava a terra. A causa della gravità terrestre che tira verso il basso sulle molle di vetro, il sensore dell'asse Z è diventato più rigido, rendendolo meno sensibile ai movimenti verticali. La sua frequenza di risonanza è passata da circa 11 hertz a 44 hertz sotto il peso della gravità, il che ha ridotto la sua capacità di rilevare movimenti lenti e gentili rispetto ai sensori laterali.

I ricercatori avevano compreso che questa rigidità era un problema temporaneo causato dalla gravità terrestre. Hanno ragionato sul fatto che, se il sensore fosse stato portato nello spazio, dove la gravità è effettivamente assente, le molle si sarebbero rilassate e il sensore dell'asse Z avrebbe performato altrettanto bene degli altri. Per verificare questo, hanno testato il sensore dell'asse Z in una configurazione che simulava un ambiente di assenza di peso, ruotandolo in modo che la gravità tirasse lateralmente invece che verso il basso. In questa configurazione, la frequenza del sensore è scesa nuovamente a 11 hertz e la sua sensibilità è migliorata drasticamente, eguagliando le prestazioni dei sensori laterali. Ciò ha confermato che il dispositivo è pienamente capace di misurare il movimento tridimensionale con la stessa precisione una volta in orbita.

Il team ha anche identificato un difetto specifico nel modo in cui la luce veniva indirizzata al sensore verticale nell'unità finale assemblata. A causa dello spazio ristretto all'interno del dispositivo, il raggio laser doveva percorrere una distanza maggiore per raggiungere lo specchio di riferimento, introducendo una piccola quantità di rumore extra. Testando una versione indipendente del sensore dell'asse Z con un layout ottico più aperto, hanno dimostrato che questo rumore poteva essere ridotto di un fattore dieci. Questa scoperta fornisce una via chiara per migliorare il design finale, garantendo che il sensore verticale sarà silenzioso quanto gli altri quando il dispositivo volerà nello spazio.

Questo lavoro dimostra che è possibile costruire un sensore inerziale completo a tre assi che sia piccolo, leggero e potente per le missioni spaziali. L'intero dispositivo entra in una scatola di soli 156 per 156 per 65 millimetri, una dimensione notevolmente compatta per il livello di sensibilità che raggiunge. Dimostrando che questi sensori possono rilevare lo stesso movimento del suolo dei grandi strumenti stabiliti, i ricercatori hanno validato un nuovo approccio alla misurazione dell'accelerazione. Questa tecnologia potrebbe presto permettere ai satelliti di navigare con maggiore precisione, mappare il campo di gravità terrestre con maggiore dettaglio o persino aiutare a rilevare le sottili increspature nello spazio-tempo causate da eventi cosmici distanti, il tutto trasportando un carico utile molto più piccolo ed efficiente rispetto a quanto sia attualmente possibile.