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原子干渉計で地下のトンネルを検出

Nature ダイジェスト Vol. 19 No. 5 | doi : 10.1038/ndigest.2022.220534

原文:Nature (2022-02-24) | doi: 10.1038/d41586-022-00464-1 | Atomic changes can map subterranean structures

超低温の原子を使った量子センサーで重力の変化を感知し、都市の道路下の地下トンネルを検出できた。この研究結果について、量子センシングと地球物理学の観点から3人の研究者が解説する。

  • 重力の垂直方向の勾配(変化率)の精密な測定によって、地下の密度の不均一性を検出できる。
  • バーミンガム大学(英国)のBen Strayらは、重力勾配の実用的な量子センサーを開発したことをNature 2022年2月24日号590ページで報告した1。このセンサーは原子干渉計を使い、重力勾配を素早く、高感度で測定できた。
  • このセンサーは、都市部の2つの多層階建物の間の道路下にある、断面が正方形(一辺2m)の地下トンネルを検出できた。

量子センサーで地中を探る

Nicola Poli

天文学の観測は、電磁気信号と重力信号2を捉えることにより、私たちの頭上に何があるかについて幅広い知識をもたらしてくれた。天文学観測は、地球から10億km離れた天体が発する信号も捉えている。しかし、私たちは、自分たちの足の下に何があるかについては、天体と同じくらい詳細な知識を持っていない。たとえ地面の数m下でさえよく分からない。地球物理学的なモニタリング技術はいくつか存在するが、多くの場合、地面の下の小さな特徴について知るには、いまだに掘ってみることが最も良い方法だ。しかし、量子センサーは、古典的な地球物理学センサーの実用的な代替として注目されつつある。

原子重力計は、原子干渉法と呼ばれる技術を使い、自由落下する原子の雲に重力場がどう影響するかに基づいて、その場所の重力加速度を測定する量子センサーだ。典型的な構成では、光のパルスを使って、物質波(全ての粒子は物質の波として記述することができる)を生成し、分離し、再び一緒にして干渉させる。そして重力計の中で検出される、物質波の干渉パターンが、その場所の重力場に関係している。この原理を使うと、驚くほど正確な測定を行うことができるが、ノイズの影響は受ける。原子重力勾配計は、重力場の絶対値ではなく、その勾配を測定することによってノイズの問題をある程度、克服する。

原子干渉計を重力計と重力勾配計として使えることは、20年以上前に初めて実際に示され3、それ以来、その性能は向上し続けてきた。同時に研究は、原子干渉計を戸外で実際に利用できるほど小型にし、信頼性を高めることに重点を置いてきた4,5。Strayらの装置は、この方向の研究の大きな前進だ。

研究チームは、今回の重力勾配計のために砂時計型の原子干渉計の構成を開発し、それを使って垂直方向に1m離れた、超低温のルビジウム原子の2つの雲の加速度の差を測定した。この構成の光学系は頑強で小型であり、数カ月間にわたってきちんと調整された状態を保持する。

Strayらは地面の下にある大きな空洞を、空洞によって生じる小さな重力信号の測定だけで非破壊で感知できた。

Strayらはこの装置を使い、地面の下にある大きな空洞を、空洞によって生じる小さな重力信号の測定だけで非破壊で感知することができた(図1a)。この装置の感度は、10分間の測定で約20エトベシュ(1エトベシュは10−9毎秒毎秒)だった。これは、これまでに報告された最も敏感な原子干渉計の約30分の1の感度だ6。しかし、Strayらのセンサーは、現実的な状況で実際に役に立つ原子重力勾配計を作る上で一歩前進になった。

図1 現実的な場面での重力地図作成
a Strayらは、重力の垂直方向の勾配を測定する量子センサーを開発した1。このセンサーを使って地下の密度変化を発見することができる。この装置は、2つの多層階の建物(図に示されていない)の間にある、道路の下の地下トンネルを検出した。建物は重力勾配の信号に影響し、信号を弱くする可能性がある。予想されたトンネルの位置は、水平軸上の赤色の点で示されている。
b このセンサーで測定された重力の勾配を、予想されたトンネルの位置に対するセンサーの位置の関数として示したグラフ(単位はエトベシュ、1エトベシュは10−9毎秒毎秒)。この装置は、既存の市販の測定器と比較すると、精度は少なくとも同等であり、より早くデータを取得でき、また、この種の他の量子センサーよりも持ち運びしやすい(参考文献1の図3から改変)。 | 拡大する

原子重力計と原子重力勾配計は、もともと長期の安定性を持ち、傾斜や地面の振動などの環境の影響に対する感度が極めて低く、機械部品がないなど、古典的な重力計や重力勾配計と比べて明らかな長所を持つ。Strayらの研究結果は、原子重力計と原子重力勾配計が近いうちに、もっと持ち運びやすく、使いやすくなる可能性も示している。

地表重力地図作成の現実的な方法

Roman Pašteka & Pavol Zahorec

古代ギリシャの時代から、人々は重力に魅了されてきた。重力加速度の測定は、現代科学が最初に行った研究の1つだった。18世紀の地球物理学者は、重力加速度を測定するために振り子を使った7。それ以来、重力測定のための道具は、バネによる単純な装置から、現在の量子技術に基づく装置まで盛んに研究されてきた。現在の物理測地学と応用地球物理学では、重力測定は、地球の大きさと形を決定するためと、地球内部の密度の不均一性を見つけるために使われている。重力測定は、地表近くの地下の対象を明らかにでき、また、リソスフェア(地球の構造のうち、岩石でできた外層)の研究に役立つ。

重力加速度の勾配は、重力加速度の測定よりも有用だ。重力加速度の勾配は、浅いところの密度分布に敏感で、対象をより正確に検出できるからだ(図1b)。地上での重力測定調査では、重力の垂直方向の勾配は、バネを使った古典的な重力計を使い、さまざまな高さで測定された測定値から概算することができる。しかし、この方法は時間がかかり、各測定点で数十分の測定時間を必要とし、その不確かさは重力計の精度に依存する。

Strayらが開発した重力勾配計。センサー部分(青色の円柱)は高さ1.87m、質量75kg。レーザー・制御システム部分(黒い箱)は約250kg。2つの部分はケーブルでつながっている。この場所の地下にトンネルがある。 | 拡大する

Ref.1

Strayらの見積もりによると、今回の装置で測定された値の不確かさは、市販の重力計の不確かさよりも小さい。さらに重要なことは、10個の測定点の測定値をわずか15分で集めることができたと彼らが報告していることだ。この点を考えると、Strayらの結果は、他の研究グループの結果と共に8,9、応用重力測定研究を大きく変えるかもしれない。この研究により一種の「重力地図作成」が可能になる、というStrayらの主張には説得力がある。

一般に、重力の値(と特にその勾配)は、地表下の密度の不均一性の分布を反映するが、地勢と近くの建物にも影響される10。この影響の大きさを決定するときに重要なファクターは近くの地形だ。地形は一部の地球物理学研究では過小評価されているが、考慮に入れられるべきだ。近くの建物が及ぼす引力は、重力場(とその勾配)に、地形よりも小さいが測定可能な寄与をする。このため、建物の引力を見積もり、数値的方法を使ってデータから取り除かなければならない。数値的方法の開発は既によく進んでいる。

重力の勾配を利用する方法は、密度の不均一性から地表下の対象を見つけるには非常に有用だが、その限界も分かっていなければならない。地表下の構造の検出の可能性は、構造の大きさと深さや、周囲の土や岩とどれだけ密度が異なるかに依存する。私たちの研究チームは、考古学探査において地表下の空洞を検出した経験があり11、Strayらが報告した不確かさを持つ装置を使った場合に、ありふれた自然な条件下でそうした空洞を見つける可能性を推測できる。

私たちは、地表の1m下にある、断面の直径が1mのトンネルによって生じる垂直方向の重力勾配の最大振幅は、この不確かさのしきい値の6倍以上だと見積もる。私たちの計算では、この4倍の直径のトンネルの場合は、トンネルが地表から最大で4m下にあっても同じ最大振幅が測定されるだろう。こうした検出能力は、工学面と環境面の多くの応用において、とても有望に思われる。

(翻訳:新庄直樹)

Nicola Poliはフィレンツェ大学および欧州非線形分光学研究所 (いずれもイタリア・セストフィオレンティーノ)に所属。
Roman Paštekaはコメニウス大学(スロバキア・ブラチスラバ)に所属。
Pavol Zahorecはスロバキア科学アカデミー地球科学研究所(スロバキア・バンスカービストリツァ)に所属。

参考文献

  1. Stray, B. et al. Nature 602, 590–594 (2022).
  2. Abbott, B. P. et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
  3. Kasevich, M. & Chu, S. Phys. Rev. Lett. 67, 181–184 (1991).
  4. Bongs, K. et al. Nature Rev. Phys. 1, 731–739 (2019).
  5. Wu, X. et al. Sci. Adv. 5, eaax0800 (2019).
  6. Asenbaum, P. et al. Phys. Rev. Lett. 118, 183602 (2017).
  7. Howarth, R. Earth Sci. Hist. 26, 201–228 (2007).
  8. Tino, G. M. et al. Eur. Phys. J. D 73, 228 (2019).
  9. Boddice, D., Metje, N. & Tuckwell, G. J. Appl. Geophys. 146, 149–159 (2017).
  10. Zahorec, P., Papčo, J.,Mikolaj, M., Pašteka, R. & Szalaiová, R. First Break 32, 65–71 (2014).
  11. Pašteka, R. et al. Archaeol. Prospect 27, 415–431 (2020).

キーワード

Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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