Кіріспе

Атомдық интерферометр атомдардың толқын тәрізді қасиетін пайдаланып интерференция жасайды. Атомдық интерферометрлерде лазерлік интерферометрлерге қарағанда материя мен жарықтың рөлі ауыстырылған, яғни сәуле бөлігіштер мен айналар лазерлер болып табылады, ал көз материя толқындарын (атомдарды) шығарады, жарықты емес. Атомдық интерферометрлер әртүрлі жолдармен қозғалған атомдық материя толқындары арасындағы фазалық айырманы өлшейді. Материя толқындары лазерлер жүйесі арқылы басқарылып, манипуляцияланады. Атомдық интерферометрлер негізгі физика заңдарын тексеруде, соның ішінде гравитациялық тұрақтыны, құрылымдық тұрақтыны және еркін түсудің жалпылама принципін өлшеуде қолданылған. Атомдық интерферометрлердің қолданылу аймақтарына акселерометрлер, айналу сенсорлары және гравитациялық градиенттер кіреді.

Шолу

Интерферометрия толқынды екі түрлі жол бойынша суперпозицияға бөледі. Пространдық түрғысынан өзгеретін потенциал немесе жергілікті әрекеттесу жолдарды ерекшелендіреді, толқындар арасында фазалық айырмашылық тудырады. Атомдық интерферометрлер масса орталығының материя толқындарын, қысқа де Броль толқын ұзындығымен пайдаланады. Молекулаларды қолдана отырып, кванттық механиканың шектерін табу мақсатында, молекулалардың өте қысқа де Броль толқын ұзындығын пайдаланатын эксперименттер ұсынылған.

Интерферометр түрлері

Атомдарды пайдалану жарықтан жоғары жиіліктерге (және осымен жоғары дәлдікке) оңай қол жеткізуге мүмкіндік берсе де, атомдарға гравитация әлдеқайда күшті әсер етеді. Кейбір құрылғыларда атомдар жоғары қарай шығарылады және интерферометрия атомдардың ұшу кезінде немесе еркін түсу кезінде жүзеге асырылады. Басқа эксперименттерде еркін үдеу арқылы гравитациялық әсер жойылмайды; гравитацияны теңестіру үшін қосымша күштер қолданылады. Бұл басқарылатын жүйелер принципі бойынша өлшеу уақытының кез келген мөлшерін қамтамасыз ете алады, бірақ олардың кванттық когеренттілігі әлі де талқыланып жатыр. Жақындағы теориялық зерттеулер басқарылатын жүйелерде когеренттілік сақталады екенін көрсетеді, бірақ бұл әлі тәжірибе жүзінде расталмады. Алғашқы атомдық интерферометрлерде сәуле бөлігіштер мен айналар ретінде жарықтар немесе сымдар қолданылды. Кейінгі жүйелер, әсіресе басқарылатын жүйелер, материялық толқынды бөлу және шағылыстыру үшін жарық күштерін пайдаланды.

Тарих

Атомдық материя толқынының араласуы алғаш рет 1930 жылы Имманюэль Эстерман мен Отто Стерн тарапынан натрий (Na) сәулесінің натрий хлориді (NaCl) бетінен дифракцияланған кезде байқалды. Алғашқы заманауи атомдық интерферометр 1991 жылы О. Карнал мен Юрген Млинек жүргізген, тұрақталған гелий атомдарымен жасалған қос саңылау эксперименті және Массачусетс технология институтында (MIT) Дэвид Э. Притчард тобындағы үш микрофабрикацияланған дифракциялық торлар мен Na атомдарын пайдаланатын интерферометр болды. Ұзақ өтпей, атомдық сағаттарда қолданылатын Рамзи спектрометрінің оптикалық нұсқасы Германияның Брауншвейг қаласындағы Физикалық-техникалық федералдық агенттігінде (PTB) атомдық интерферометр ретінде танылды. Атомдардың жартылай толқындық пакеттері арасындағы ең үлкен физикалық аралық лазерлік салқындату әдістерін қолдану және Стивен Чу мен Стэнфорд университетіндегі әріптестерінің Рамандық ауысуларын күшейту арқылы қол жеткізілді. 1999 жылы Вена университетінің зерттеушілері C60 фуллерендерінің дифракциясын жариялады. Фуллерендер салыстырмалы түрде үлкен және массасы шамамен 720 u болатын нысандар. Түсетін сәуленің де Бройль толқын ұзындығы шамамен 2.5 пм, ал молекуланың диаметрі шамамен 1 нм, яғни 400 есе үлкен болды. 2012 жылы бұл алысқатарлық дифракциялық эксперименттер 58 және 114 атомнан тұратын фталоцианин молекулаларына және олардың ауыр туындыларына дейін кеңейтілді. Бұл тәжірибелерде мұндай араласу үлгілерінің қалыптасуы нақты уақытта және жеке молекулалық сезімталдықпен тіркелді. 2003 жылы Вена тобы сондай-ақ шамамен 2 нм ұзындығы және 614 u массасы бар тетрафенилпорфириннің толқындық сипатын көрсетті. Бұл демонстрация үшін жақындығы Талбот Лау интерферометрі қолданылды. Сол интерферометрде олар 108 атомнан тұратын, шамамен 1600 u массасы бар фторланған букибол C60F48-дің араласу жиектерін де анықтады. 2011 жылы 6910 u салмағы бар молекулалардың араласуы Капица-Дирак-Талбот-Лау интерферометрінде көрсетілді. 2013 жылы 10 000 u-дан асатын молекулалардың араласуына қол жеткізілді. 2008 жылғы Александр Д. Кронин, Йорг Шмидмайер және Дэвид Э. Притчардтың толық шолуы атомдық интерферометрияға қатысты көптеген жаңа тәжірибелік тәсілдерді сипаттайды. Соңғы кезде атомдық интерферометрлер зертханалық жағдайлардан шығып, нақты әлемдегі әртүрлі қолданыстарды зерттеуге кірісті.

Гравитациялық физика

Гравитациялық қызыл жылжудың дәл өлшемі 2009 жылы Холгер Мюллер, Ахим Петерс және Стивен Чу жасады. 7 × 10 9 деңгейінде жалпы салыстырмалылық теориясының бұзылуы анықталған жоқ. 2020 жылы Питер Асенбаум, Крис Оверстрит, Минжонг Ким, Джозеф Курти және Марк А. Касевич жалпы салыстырмалылық теориясындағы эквиваленттілік принципін тексеру үшін атомдық интерферометрияны қолданды. Олар шамамен 10 12 деңгейінде ешқандай бұзушылықтарды таппады.

Инерциялық навигация

Жұмыс істейтін модельді жасаған алғашқы команда, Притчард, Дэвид Киттің күшімен ілгеріледі. Атомдық интерферометр гироскопы (АИГ) және атомдық спин гироскопы (АСГ) айналуды сезіну үшін атомдық интерферометрді пайдаланады, ал екіншісінде – атомдық спинді айналуды сезіну үшін қолданады. Екеуі де ықшам өлшемді, жоғары дәлдікті және чип өлшемдерінде жасау мүмкіндігіне ие. "AI гироскоптары" болашақта инерциялық навигация саласындағы орнатылған сақиналық лазерлік гироскоптармен, талшықты-оптикалық гироскоптармен және жарты шар резонаторлық гироскоптармен бірге, АСГ-мен қатар бәсекелесе алады.