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- 양자 센서, 중력 암석의 작은 크기 달라도 측정 가능, 심토 구조 감지
- 원자 구배측정기는 실험실 밖에서도 충분히 견고하고 이동성 갖춰
- 이 Gradiometer는 상업용 측량 중력계의 성능을 1.5~4배 능가
- 장치를 이동하고 2분 이내에 다시 측정 가능, 지하 구조물 15분 내에 측정

지하 구조를 볼 수 있는 양자 중력 센서
최초의 이동식 원자 구배측정기(句配測定器, Gradiometer)

원자 측정 장치의 이동성:
새로운 유형의 양자 센서는 중력 암석의 작은 규모의 이상도 측정할 수 있으므로 심토의 숨겨진 구조를 감지할 수 있다. 처음으로 이러한 원자 구배측정기는 실험실 밖에서도 실용적으로 사용할 수 있을 만큼 충분히 견고하고 이동성이 있다. 이것은 연구팀이 전문 잡지 "Nature"에서 설명하는 것처럼 조밀하게 지어진 지역의 지하 터널, 수로 및/또는 더 큰 물체를 매핑하는 것과 같은 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 지표면 아래에 무엇이 놓여 있을까? 특히 도시에서는 이를 측정하거나 결정하기 어려운 경우가 많다. 새로운 중력 센서가 여기에 도움이 될 수 있다.

중력은 질량이 있는 모든 물체가 블랙홀에서 행성, 가장 작은 미세 물체에 이르기까지 주변에 가하는 기본적인 힘이다. 질량 사이의 인력은 측정 가능하며 이러한 물체를 감지하고 매핑하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어 인공위성을 이용한 지구 탐사에서 지구의 중력장의 작은 편차는 빙하의 질량, 지구의 물 질량의 분포 또는 지각의 구조를 매핑하는 데 사용된다.

위성에서 사용하는 중력계는 간섭계를 사용해 중력 편차를 측정한다.
위성 간에 교환되는 레이저 빔은 위상 이동을 통해 지상 중력장이 위성의 비행 고도에 영향을 미치는지 여부와 정도를 나타낸다. 가속도 센서를 사용한 중량 측정은 훨씬 쉽다. 이러한 센서는 진동으로 인한 간섭 효과를 계산할 수 있으려면 많은 측정을 수행해야 한다. 이는 측정을 매우 복잡하게 만든다. 

▲ 메인 센서 헤드(파란색 실린더)는 높이가 1.87 m이며 조정 가능한 발의 설정에 따라 5 cm씩 조정. 이것은 센서의 측정 위치를 노면에서 하부 센서의 경우 약 0.5 m, 상부 센서의 경우 1.5 m 떨어진 곳에 위치시킨다. 센서 헤드의 바닥 면적은 0.64 m x 0.6 m이고 직립 실린더의 직경은 0.27 m이다. 센서 헤드의 총 중량은 약 75 kg이다. 이것은 레이저와 제어 시스템을 포함하는 비행 케이스에 연결된다. 내부 높이가 24 U 표준 랙 장치(1 U = 4.4 cm), 외부 설치 공간이 1.10 m x 0.46 m, 높이가 1.34 m이다. 0.50 m x 0.59 m x 0.46 m 크기의 보조 케이스가 이 위에 놓인다. 이 케이스의 무게를 합하면 약 250 kg. 시스템은 약 800 W를 소비하고 단기 배터리 홀더가 있는 단일 주전원 벽면 소켓에서 작동한다. 또한 관찰된 추가 노이즈 없이 발전기 전원에서 작동할 수 있다. 센서 헤드를 이동하는 데 사용되는 프레임과 토탈 스테이션으로 위치를 참조하는 데 사용되는 프리즘이 표시된다. (출처: 관련논문 Quantum sensing for gravity cartography)

측정 보조 도구로서의 차가운 원자구름

버밍엄 대학의 벤 스트레이(Ben Stray)와 그의 팀이 개발한 새로운 첨단 중력계는 최근 대안을 제시했다. 중력 구배측정기는 양자 기술을 사용해 긴 측정 시간 없이 중력의 가장 작은 변화도 표시한다. 새로운 기기의 핵심에는 레이저와 씰이 장착된 진공관에 있는 두 개의 극저온 루비듐 원자구름이 있다.

측정을 위해 이전에 고정된 원자구름을 떨어뜨리고 측정 장치는 간섭계를 사용해 중력이 원자의 낙하 속도와 양자 상태를 어떻게 변화시키는지 확인한다. 트릭은 튜브에 있는 두 개의 원자구름의 높이가 1미터 차이가 나기 때문에 장치는 절대 중력을 측정하지 않고 두 구름에 대한 중력 효과의 차이를 측정한다.

▲ a, 모델 불확실성(파란색 산란), 1σ(진한 파란색 음영) 및 2σ(밝은 파란색 음영) 신뢰할 수 있는 구간 밴드 및 사이트 모델(점선)을 포함할 때 표준 오차(검은색 산란) 및 총 추정 불확실성이 있는 중력 기울기 데이터( 방법 참조). b, 터널의 치수와 위치, 중력 신호에 대한 주요 기여를 보여주는 사이트의 축척 개략도. 좌표의 원점(빨간색 점)은 조사선의 가장 낮은 지점을 수직 방향으로, 터널 중심의 예상 위치를 수평 방향으로 정의. c, 중력 중력계 데이터에서 추론된 POE(파란색 등고선) 및 예상 터널 위치(점선). d, 추정된 터널 기하학 지식과 경사계 데이터의 추론을 사용하기 위해 추론 프로세스의 초점을 이동해 얻은 토양 밀도 추정, 68% 최고 밀도 구간(HDI)을 나타낸다. (출처: 관련논문)

실험실 밖에서 처음 사용

원칙적으로 이러한 양자 중력 구배측정기는 새로운 것이 아니다.
실험실에서 한동안 중력의 가장 작은 차이를 측정하는 데 사용되었다. 지금까지는 너무 복잡하고 실험실 외부에서 실제로 사용하기에는 실패하는 경향이 있었다. Stray와 그의 팀은 휴대가 간편하고 어디에서나 사용할 수 있는 방식으로 양자 경도 측정기를 최적화했다. "우리의 설계는 레이저 노이즈 및 미세 지진, 열 및 자기장 변화, 장치 기울기의 영향을 억제한다"고 그들은 설명했다.

이것은 양자 구배측정기를 처음으로 실험실 밖에서도 사용할 수 있다는 의미다.
과학자들은 "실제 적용을 위해서는 정보가 사용자에게 유용한 방식으로 측정 데이터를 평가하는 것도 필요하다"고 설명했다. 이를 위해 그들은 원시 데이터를 가능한 파괴적 환경 및 지하 토양의 지구물리학적 매개변수와 자동으로 비교하는 소프트웨어로 장치를 보완했다. Stray와 그의 동료들은 "이것은 변칙성의 깊이와 공간적 범위에 대한 정량적 정보를 가능하게 한다"고 말했다.

도심 속 실기 테스트

첫 번째 실제 테스트에서 연구원들은 두 개의 다층 건물 사이의 거리에서 양자 센서를 시험해 보았다. "다른 인근 건물과 테스트 사이트 주변의 고르지 않은 지형은 실제 목표를 가릴 수 있는 추가적인 혼란을 낳았다"고 그들은 설명한다. 테스트의 목적은 그라디오미터가 지표면 아래 8.5m 깊이의 2x2m 직경 터널을 얼마나 정확하게 매핑할 수 있는지를 결정하는 것이었다.

▲ a, 다양한 애플리케이션에서 일반적인 중력 기울기 신호 크기에 대한 등고선 플롯, 1.8 g cm−3의 밀도 대비에 대한 등고선(eötvös). 감지된 기능의 매개변수(빨간색 점)와 센서의 통계적 불확실성(실선)이 표시된다. 실선 위 영역의 특징은 전류 불확실성으로 감지할 수 있다.

▲ b, 20 E의 불확실성 수준에서 지역에 대해 0.5 m 공간 분해능으로 사용되는 미래 중력 지도 제작의 관점 다양한 응용 분야에 대한 예상 신호 크기가 표시된다. (출처: 관련논문 Quantum sensing for gravity cartography)

결과:
양자 중력 구배측정기는 최대 1.4nano-g의 정밀도로 터널과 터널 벽에 의해 생성된 중력 수차를 측정할 수 있었다. 과학자들은 "이는 상업용 측량 중력계의 성능을 1.5~4배 능가한다"고 보고했다. 이 장치는 최대 0.19미터의 정확도로 터널 벽의 위치를 ​​결정할 수 있었다. "이것은 양자 중력 센서를 사용한 서브미터 매핑의 첫 번째 시연"이라고 팀이 말했다.

중요한 이점은 또한 장치의 측정 속도다. 장치를 이동하고 2분 이내에 다시 측정할 수 있다. 연구원들에 따르면 지하 구조물은 허용되는 신호 품질로 15분 이내에 측정할 수 있다.

지하 측량의 새로운 가능성
과학자들에 따르면, 그들의 양자 센서는 이제 특히 조밀하게 지어진 지역에서 간섭 신호가 심하게 산재되어 있는 하층토를 측정할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Stray의 동료 Kai Bong은 "이 획기적인 덕분에 우리는 더 이상 지하 탐사, 건설 및 수리를 위해 잘못된 지도와 운에 의존하지 않아도 된다"고 말했다. "지금 당장 우리는 길 바로 아래에 있는 것보다 남극의 심토에 대해 더 많이 알고 있기 때문이다.“

플로렌스 대학의 니콜라 피올리(Nicola Pioli)도 "이 연구 그룹의 센서는 원자 중력 구배측정기(Gradiometer)를 실제 응용 분야에서 실질적으로 사용할 수 있도록 하는 중요한 단계다"고 덧붙였다.
(Nature, 20122; doi: 10.1038/s41586-021-04315-3)
출처: 버밍엄 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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