Введение

Интерферометр, использующий волнообразную природу атомов. Атомный интерферометр использует волнообразную природу атомов для создания интерференции. В атомных интерферометрах роли материи и света обращены по сравнению с лазерными интерферометрами, то есть разделитель луча и зеркала создаются лазерами, а источник излучает волны материи (атомы) вместо света. Атомные интерферометры измеряют разность фаз между атомными волнами вещества, распространяющимися по разным траекториям. Волнами материи управляют и манипулируют с помощью лазерных систем. Атомные интерферометры применялись в проверке фундаментальных законов физики, включая измерения гравитационной постоянной, постоянной тонкой структуры и принципа эквивалентности. Практическое применение атомных интерферометров включает акселерометры, датчики вращения и гравиметры.

Обзор

Интерферометрия разделяет волну на суперпозицию, распределяя её по двум различным траекториям. Пространственно-зависимый потенциал или локальное взаимодействие различают эти траектории, создавая разность фаз между волнами. Атомные интерферометры используют волновые функции центра масс частиц с короткой длиной волны де Бролья. Предлагаются эксперименты с молекулами для поиска границ применимости квантовой механики, используя их более короткие длины волн де Бролья.

Типы интерферометров

Хотя использование атомов обеспечивает легкий доступ к более высоким частотам (и, следовательно, точности), чем свет, атомы гораздо сильнее подвержены влиянию гравитации. В некоторых установках атомы выбрасываются вверх, и интерферометрия происходит во время их полета или при свободном падении. В других экспериментах эффекты гравитационного ускорения не компенсируются; вместо этого используются дополнительные силы для противодействия гравитации. Хотя эти управляемые системы в принципе могут обеспечивать практически неограниченное время измерения, их квантовая когерентность все еще остается предметом обсуждения. Недавние теоретические исследования указывают на то, что когерентность действительно сохраняется в управляемых системах, однако это еще предстоит экспериментально подтвердить. Первые атомные интерферометры использовали щели или проволоки в качестве разделителей и отражателей пучка. В более поздних системах, особенно в управляемых, для расщепления и отражения материи-волны использовались световые силы.

История

Вмешательство волн материи атомов было впервые наблюдено Эммануэлем Эстерманом и Отто Стерном в 1930 году, когда пучок натрия (Na) был диффрагирован на поверхности хлорида натрия (NaCl). Первым современным атомным интерферометром стал эксперимент с двумя щелями с метастабильными атомами гелия и микроизготовленной двойной щелью, проведенный О. Карналем и Юргеном Млинеком в 1991 году, а также интерферометр, использующий три микроизготовленные дифракционные решетки и атомы Na в группе Дэвида Э. Притчарда в Массачусетском технологическом институте (MIT). Вскоре после этого оптическая версия спектрометра Рамзи, обычно используемого в атомных часах, также была признана атомным интерферометром в Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) в Брауншвейге, Германия. Наибольшее физическое разделение между частичными волновыми пакетами атомов было достигнуто с использованием лазерного охлаждения и стимулированных рамановских переходов Стивеном Чу и его коллегами из Стэнфордского университета. В 1999 году исследователи из Венского университета сообщили о дифракции фуллеренов C60. Фуллерены – сравнительно крупные и массивные объекты с атомной массой около 720 u. Длина волны де Бройля падающего пучка составляла около 2,5 пм, в то время как диаметр молекулы составляет около 1 нм, что примерно в 400 раз больше. В 2012 году эти эксперименты по дифракции в дальнем поле были расширены до молекул фталоцианина и их более тяжелых производных, состоящих из 58 и 114 атомов соответственно. В этих экспериментах формирование таких интерференционных картин могло быть зарегистрировано в реальном времени с чувствительностью к отдельным молекулам. В 2003 году венская группа также продемонстрировала волновую природу тетрафенилпорфирина – плоского биокрасителя размером около 2 нм и массой 614 u. Для этой демонстрации они использовали интерферометр Talbot Lau. В том же интерферометре они также обнаружили интерференционные полосы для C60F48, фторированного баккибола массой около 1600 u, состоящего из 108 атомов. В 2011 году интерференция молекул массой до 6910 u была продемонстрирована в интерферометре Капицы – Дирака – Тальбота – Лау. В 2013 году была продемонстрирована интерференция молекул с массой более 10 000 u. Обширный обзор 2008 года, проведенный Александром Д. Кронином, Йоргом Шмидмайером и Дэвидом Э. Притчардом, документирует множество новых экспериментальных подходов к атомной интерферометрии. В последнее время атомные интерферометры начали выходить за пределы лабораторных условий и применяться в различных областях в реальных условиях.

Гравитационная физика

Точное измерение гравитационного красного смещения было проведено в 2009 году Холгером Мюллером, Ахимом Петерсом и Стивеном Чу. Нарушений общей теории относительности обнаружено не было с точностью до 7 × 10⁹. В 2020 году Питер Асенбаум, Крис Оверстрит, Миньчжон Ким, Джозеф Курти и Марк А. Касевич использовали атомную интерферометрию для проверки принципа эквивалентности в рамках общей теории относительности. Они не обнаружили нарушений с точностью до 10¹².

Инерциальная навигация

Первая команда, создавшая рабочую модель – команда Притчарда – была вдохновлена Дэвидом Китом. Атомные интерферометрические гироскопы (AIG) и атомные спиновые гироскопы (ASG) используют атомный интерферометр для определения угловой скорости, а в последнем случае – атомный спин, обладая при этом компактными размерами, высокой точностью и возможностью миниатюризации до чипового уровня. "AI-гироскопы" могут составить конкуренцию, наряду с ASG, устоявшимся кольцевым лазерным гироскопам, волоконно-оптическим гироскопам и гироскопам на полусферических резонаторах в будущих системах инерциальной навигации.