Um acelerômetro que usa luz laser em vez de apenas tensão mecânica pode registrar mudanças tão pequenas quanto dezenas de bilionésimos da aceleração devido à gravidade da Terra, tornando-o muito mais sensível do que dispositivos comerciais. Com outras melhorias, os desenvolvedores do novo sensor optomecânico dizem que ele pode ser usado para orientar aeronaves, satélites e submarinos, e pode até servir como referência portátil para calibrar acelerômetros já existentes no mercado.
Os acelerômetros – sensores que detectam mudanças repentinas na velocidade – têm muitas aplicações. Entre outras coisas, eles ajudam a acionar o acionamento de airbags em carros, manter foguetes e aviões na trajetória de vôo correta, fornecer navegação para veículos autônomos e girar imagens para que fiquem do jeito certo no seu celular. Em geral, eles funcionam rastreando a posição de uma massa de “prova” em movimento livre em relação a um ponto de referência fixo no dispositivo. A distância entre esta massa de prova e a referência muda sempre que o dispositivo desacelera, acelera ou muda de direção, produzindo um sinal que pode então ser detectado.
Mudança de distância entre dois microespelhos
O novo acelerômetro desenvolvido por Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos Estados Unidos usa luz infravermelha para medir a mudança na distância entre dois microespelhos em uma configuração conhecida como cavidade de Fabry-Perot. Em sua configuração, a massa de prova é um único cristal de silício com uma massa entre 10 e 20 mg, e é suspenso do primeiro espelho usando um conjunto de feixes de nitreto de silício flexível (Si3N4) de 1,5 ?m de espessura. A suspensão desta forma permite que a massa de prova se mova livremente, com um movimento de translação quase ideal. O segundo espelho, que é côncavo, atua como ponto de referência fixo do acelerômetro e, portanto, não pode se mover.
Quando a equipe direciona a luz do laser infravermelho para a cavidade óptica, a maioria das frequências de luz é totalmente refletida. No entanto, a luz de uma certa frequência pode ressoar – ou saltar para frente e para trás – entre os dois espelhos na cavidade, aumentando sua intensidade. Quando a equipe faz o dispositivo acelerar, a massa de prova se desloca em relação ao espelho côncavo, e esse deslocamento produz uma mudança na intensidade da luz refletida da cavidade.
Os pesquisadores do NIST rastreiam essa mudança usando um laser de frequência única estável “travado” na frequência de ressonância da cavidade. Combinando continuamente a frequência do laser com a frequência ressonante da cavidade, eles podem determinar o quanto o dispositivo acelerou. O resultado é um dispositivo que pode detectar deslocamentos da massa de prova que são menores do que um femtômetro (10-15 m) e detectar acelerações tão baixas quanto 3,2 × 10-8 g, onde g é a aceleração devido à gravidade da Terra. Isso é melhor do que qualquer acelerômetro no mercado hoje de tamanho e largura de banda comparáveis, diz a equipe.
Uma primavera simples
Embora o conceito de um acelerômetro optomecânico possa parecer simples, ser capaz de converter com precisão o deslocamento da massa de prova em uma aceleração provou ser um desafio. No novo trabalho, entretanto, a massa de prova e as vigas de suporte são projetadas de modo que se comportem como uma simples mola (ou oscilador harmônico) que vibra em uma única frequência na faixa de operação do acelerômetro. Esta abordagem, dizem os pesquisadores, torna a configuração fácil de modelar usando cálculos de primeiros princípios.
Usando esta técnica, que relatam em Optica, Gorman, LeBrun, Long e colegas estenderam sua abordagem para atingir incertezas de medição de cerca de 1% em uma ampla faixa de frequências de ressonância (de 100 Hz a 15 kHz). Seu dispositivo também não precisa ser calibrado antes do uso, pois usa luz laser de frequência conhecida para medir a aceleração. Assim, ele pode servir como um padrão de referência portátil para outros acelerômetros no mercado (todos os quais precisam ser calibrados) e, assim, ajudar a torná-los mais precisos.
No futuro, o grupo NIST planeja refinar seu sistema para que possa ser implantado em campo como um sensor preciso e padrão intrínseco para aceleração. “O trabalho também está em andamento em aplicações avançadas da tecnologia, que vão desde pesquisas por novas físicas a diagnósticos médicos e medições de satélite para estudos de mudanças climáticas”, disse LeBrun à Physics World.
Publicado em 23/04/2021 09h03
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