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.
An atom interferometer uses the wave like nature of atoms in order to produce interference. In atom interferometers, the roles of matter and light are reversed compared to the laser based interferometers, i. e. the beam splitter and mirrors are lasers while the source emits matter waves (the atoms) rather than light. Atom interferometers measure the difference in phase between atomic matter waves along different paths. Matter waves are controlled an manipulated using systems of lasers. Atom interferometers have been used in tests of fundamental physics, including measurements of the gravitational constant, the fine structure constant, and universality of free fall. Applied uses of atom interferometers include accelerometers, rotation sensors, and gravity gradiometers.
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.
the matter wave.
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.