stringtranslate.com

Атомный интерферометр

Атомный интерферометр использует волновую природу атомов для создания интерференции. В атомных интерферометрах роли материи и света меняются местами по сравнению с интерферометрами на основе лазера , то есть светоделитель и зеркала являются лазерами, в то время как источник испускает волны материи (атомы), а не свет. Атомные интерферометры измеряют разницу в фазе между волнами атомной материи по разным путям. Волны материи контролируются и манипулируются с помощью систем лазеров. [1] : 420–1  Атомные интерферометры использовались в тестах фундаментальной физики, включая измерения гравитационной постоянной , постоянной тонкой структуры и универсальности свободного падения. Прикладные применения атомных интерферометров включают акселерометры, датчики вращения и градиентометры силы тяжести. [2]

Обзор

Интерферометрия разделяет волну на суперпозицию по двум различным путям. Пространственно зависимый потенциал или локальное взаимодействие различают пути, вводя разность фаз между волнами. Атомные интерферометры используют центр масс материальных волн с короткой длиной волны де Бройля . [3] [4] Эксперименты с использованием молекул были предложены для поиска пределов квантовой механики путем использования более коротких длин волн де Бройля молекул. [5]

Типы интерферометров

Компактная магнитооптическая ловушка , первый шаг в создании атомного интерферометра.

Хотя использование атомов обеспечивает легкий доступ к более высоким частотам (и, следовательно, точности), чем свет , атомы гораздо сильнее подвержены влиянию гравитации . В некоторых аппаратах атомы выбрасываются вверх, и интерферометрия происходит, пока атомы находятся в полете или во время свободного падения. В других экспериментах гравитационные эффекты свободного ускорения не отрицаются; дополнительные силы используются для компенсации гравитации. Хотя эти управляемые системы в принципе могут обеспечивать произвольное количество времени измерения, их квантовая когерентность все еще обсуждается. Недавние теоретические исследования показывают, что когерентность действительно сохраняется в управляемых системах, но это еще не подтверждено экспериментально.

Ранние атомные интерферометры использовали щели или провода для расщепителей луча и зеркал. Более поздние системы, особенно управляемые, использовали световые силы для расщепления и отражения волны материи. [6]

Примеры

История

Интерференция волн атомной материи была впервые обнаружена Иммануэлем Эстерманом и Отто Штерном в 1930 году, когда пучок натрия (Na) дифрагировал на поверхности хлорида натрия (NaCl). [7] Первый современный атомный интерферометр, о котором сообщалось, был экспериментом с двумя щелями с метастабильными атомами гелия и микроизготовленной двойной щелью О. Карналом и Юргеном Млынеком в 1991 году, [8] и интерферометром с тремя микроизготовленными дифракционными решетками и атомами Na в группе вокруг Дэвида Э. Притчарда в Массачусетском технологическом институте (MIT). [9] Вскоре после этого оптическая версия спектрометра Рамсея, обычно используемая в атомных часах, была также признана атомным интерферометром в Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) в Брауншвейге, Германия. [10] Наибольшее физическое разделение между парциальными волновыми пакетами атомов было достигнуто с помощью методов лазерного охлаждения и стимулированных рамановских переходов Стивеном Чу и его коллегами в Стэнфордском университете . [11]

В 1999 году было сообщено о дифракции фуллеренов C 60 исследователями из Венского университета . [12] Фуллерены — сравнительно большие и массивные объекты, имеющие атомную массу около720  Да . Длина волны де Бройля падающего пучка составляла около 2,5  пм , тогда как диаметр молекулы составлял около 1  нм , что примерно в 400 раз больше. В 2012 году эти эксперименты по дифракции в дальнем поле могли быть распространены на молекулы фталоцианина и их более тяжелые производные, которые состоят из 58 и 114 атомов соответственно. В этих экспериментах накопление таких интерференционных картин могло быть зарегистрировано в реальном времени и с чувствительностью к одиночной молекуле. [13]

В 2003 году венская группа также продемонстрировала волновую природу тетрафенилпорфирина [14] — плоского биокрасителя с протяженностью около 2 нм и массой 614 Да. Для этой демонстрации они использовали интерферометр Тальбота–Лау ближнего поля. [15] [16] В том же интерферометре они также обнаружили интерференционные полосы для C 60 F 48 , фторированного бакибола с массой около 1600 Да, состоящего из 108 атомов. [14] Большие молекулы уже настолько сложны, что они дают экспериментальный доступ к некоторым аспектам квантово-классического интерфейса, т. е. к определенным механизмам декогеренции . [17] [18] В 2011 году интерференция молекул массой до 6910 Да могла быть продемонстрирована в интерферометре Капицы–Дирака–Тальбота–Лау. [19] В 2013 году была продемонстрирована интерференция молекул массой более 10 000 Да. [20]

В комплексном обзоре 2008 года, подготовленном Александром Д. Крониным, Йоргом Шмидмайером и Дэвидом Э. Притчардом, документируется множество новых экспериментальных подходов к атомной интерферометрии. [21] В последнее время атомные интерферометры начали выходить за рамки лабораторных условий и стали применяться в различных приложениях в реальных условиях. [22] [23]

Приложения

Гравитационная физика

Точное измерение гравитационного красного смещения было сделано в 2009 году Хольгером Мюллером, Ахимом Петерсом и Стивеном Чу. Не было обнаружено никаких нарушений общей теории относительности7 × 10−9 . [ 24]

В 2020 году Питер Асенбаум, Крис Оверстрит, Минджонг Ким, Джозеф Курти и Марк А. Касевич использовали атомную интерферометрию для проверки принципа эквивалентности в общей теории относительности. Они не обнаружили никаких нарушений примерно10 −12 . [25] [26]

Инерциальная навигация

Первая команда, создавшая рабочую модель, Притчарда, была создана Дэвидом Кейтом . [27] Атомные интерферометрические гироскопы (AIG) и атомные спиновые гироскопы (ASG) используют атомный интерферометр для определения вращения или, в последнем случае, используют атомный спин для определения вращения, при этом оба имеют компактный размер, высокую точность и возможность изготовления в масштабе кристалла. [28] [29] «ИИ-гироскопы» могут конкурировать, наряду с ASG, с известными кольцевым лазерным гироскопом , волоконно-оптическим гироскопом и полусферическим резонаторным гироскопом в будущих приложениях инерциального наведения . [30]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хехт, Юджин (2017). Оптика (5-е изд.). Пирсон. ISBN 978-0-133-97722-6.
  2. ^ Stray, Ben; Lamb, Andrew; Kaushik, Aisha; Vovrosh, Jamie; Winch, Jonathan; Hayati, Farzad; Boddice, Daniel; Stabrawa, Artur; Niggebaum, Alexander; Langlois, Mehdi; Lien, Yu-Hung; Lellouch, Samuel; Roshanmanesh, Sanaz; Ridley, Kevin; de Villiers, Geoffrey; Brown, Gareth; Cross, Trevor; Tuckwell, George; Faramarzi, Asaad; Metje, Nicole; Bongs, Kai; Holynski, Michael (2020). «Квантовое зондирование для гравитационной картографии». Nature . 602 (7898): 590–594. doi : 10.1038/s41586-021-04315-3 . PMC 8866129 . PMID  35197616. 
  3. ^ Кронин, AD; Шмидмайер, J.; Притчард, DE (2009). «Оптика и интерферометрия с атомами и молекулами». Rev. Mod. Phys . 81 (3): 1051–1129. arXiv : 0712.3703 . Bibcode :2009RvMP...81.1051C. doi :10.1103/RevModPhys.81.1051. S2CID  28009912.
  4. ^ Адамс, CS; Сигел, M.; Млинек, J. (1994). "Atom Optics". Phys. Rep . 240 (3): 143–210. Bibcode :1994PhR...240..143A. doi : 10.1016/0370-1573(94)90066-3 .
  5. ^ Хорнбергер, К.; и др. (2012). «Коллоквиум: Квантовая интерференция кластеров и молекул». Rev. Mod. Phys . 84 (1): 157. arXiv : 1109.5937 . Bibcode :2012RvMP...84..157H. doi :10.1103/revmodphys.84.157. S2CID  55687641.
  6. ^ Rasel, EM; et al. (1995). «Интерферометрия атомных волн с дифракционными решетками света». Phys. Rev. Lett . 75 (14): 2633–2637. Bibcode : 1995PhRvL..75.2633R. doi : 10.1103/physrevlett.75.2633. PMID  10059366.
  7. ^ Эстерманн, И.; Стерн, Отто (1930). «Beugung von Molekularstrahlen». З. Физ . 61 (1–2): 95. Бибкод : 1930ZPhy...61...95E. дои : 10.1007/bf01340293. S2CID  121757478.
  8. ^ Carnal, O.; Mlynek, J. (1991). «Двухщелевой эксперимент Юнга с атомами: простой атомный интерферометр». Phys. Rev. Lett . 66 (21): 2689–2692. Bibcode : 1991PhRvL..66.2689C. doi : 10.1103/physrevlett.66.2689. PMID  10043591.
  9. ^ Кейт, Д.У.; Экстром, К.Р.; Турчетт, К.А.; Притчард, Д.Э. (1991). «Интерферометр для атомов». Phys. Rev. Lett . 66 (21): 2693–2696. Bibcode : 1991PhRvL..66.2693K. doi : 10.1103/physrevlett.66.2693. PMID  10043592. S2CID  6559338.
  10. ^ Riehle, F.; Th; Witte, A.; Helmcke, J.; Ch; Bordé, J. (1991). «Оптическая спектроскопия Рамсея во вращающейся рамке: эффект Саньяка в интерферометре материальных волн». Phys. Rev. Lett . 67 (2): 177–180. Bibcode :1991PhRvL..67..177R. doi :10.1103/physrevlett.67.177. PMID  10044514.
  11. ^ Касевич, М.; Чу, С. (1991). «Атомная интерферометрия с использованием стимулированных рамановских переходов». Phys. Rev. Lett . 67 (2): 181–184. Bibcode :1991PhRvL..67..181K. doi :10.1103/physrevlett.67.181. PMID  10044515. S2CID  30845889.
  12. ^ Арндт, Маркус; О. Наирз; Дж. Восс-Андре , К. Келлер, Г. ван дер Зу, А. Цайлингер (14 октября 1999 г.). «Волново-частичный дуализм C 60 ». Природа . 401 (6754): 680–682. Бибкод : 1999Natur.401..680A. дои : 10.1038/44348. PMID  18494170. S2CID  4424892.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  13. ^ Juffmann, Thomas; et al. (25 марта 2012 г.). «Визуализация квантовой интерференции одиночных молекул в реальном времени». Nature Nanotechnology . 7 (5): 297–300. arXiv : 1402.1867 . Bibcode :2012NatNa...7..297J. doi :10.1038/nnano.2012.34. PMID  22447163. S2CID  5918772.
  14. ^ аб Хакермюллер, Люсия; Стефан Уттенталер; Клаус Хорнбергер; Элизабет Рейгер; Бьорн Брезгер; Антон Цайлингер; Маркус Арндт (2003). «Волновая природа биомолекул и фторфуллеренов». Физ. Преподобный Летт . 91 (9): 090408. arXiv : quant-ph/0309016 . Бибкод : 2003PhRvL..91i0408H. doi : 10.1103/PhysRevLett.91.090408. PMID  14525169. S2CID  13533517.
  15. ^ Clauser, John F.; S. Li (1994). «Интерефометрия Тальбота фон Лау с холодными медленными атомами калия». Phys. Rev. A. 49 ( 4): R2213–2217. Bibcode : 1994PhRvA..49.2213C. doi : 10.1103/PhysRevA.49.R2213. PMID  9910609.
  16. ^ Brezger, Björn; Lucia Hackermüller; Stefan Uttenthaler; Julia Petschinka; Markus Arndt; Anton Zeilinger (2002). "Matter-wave interferometer for large Molecules". Phys. Rev. Lett . 88 (10): 100404. arXiv : quant-ph/0202158 . Bibcode : 2002PhRvL..88j0404B. doi : 10.1103/PhysRevLett.88.100404. PMID  11909334. S2CID  19793304.
  17. ^ Хорнбергер, Клаус; Стефан Уттенталер; Бьёрн Брезгер; Люсия Хакермюллер; Маркус Арндт; Антон Цайлингер (2003). "Наблюдение за коллизионной декогеренцией в интерферометрии". Phys. Rev. Lett . 90 (16): 160401. arXiv : quant-ph/0303093 . Bibcode :2003PhRvL..90p0401H. doi :10.1103/PhysRevLett.90.160401. PMID  12731960. S2CID  31057272.
  18. ^ Хакермюллер, Люсия; Клаус Хорнбергер; Бьёрн Брезгер; Антон Цайлингер; Маркус Арндт (2004). «Декогеренция волн материи термическим излучением». Nature . 427 (6976): 711–714. arXiv : quant-ph/0402146 . Bibcode :2004Natur.427..711H. doi :10.1038/nature02276. PMID  14973478. S2CID  3482856.
  19. ^ Герлих, Стефан и др. (2011). «Квантовая интерференция больших органических молекул». Nature Communications . 2 (263): 263. Bibcode :2011NatCo...2..263G. doi :10.1038/ncomms1263. PMC 3104521 . PMID  21468015. 
  20. ^ Eibenberger, S.; Gerlich, S.; Arndt, M.; Mayor, M.; Tüxen, J. (2013). «Материйно-волновая интерференция частиц, выбранных из молекулярной библиотеки с массами, превышающими 10 000 а.е.м.». Physical Chemistry Chemical Physics . 15 (35): 14696–14700. arXiv : 1310.8343 . Bibcode :2013PCCP...1514696E. doi :10.1039/c3cp51500a. PMID  23900710. S2CID  3944699.
  21. ^ Кронин, Александр Д.; Шмидмайер, Йорг; Притчард, Дэвид Э. (2009). «Оптика и интерферометрия с атомами и молекулами». Reviews of Modern Physics . 81 (3): 1051–1129. arXiv : 0712.3703 . Bibcode : 2009RvMP...81.1051C. doi : 10.1103/RevModPhys.81.1051. S2CID  28009912.
  22. ^ Bongs, K.; Holynski, M.; Vovrosh, J.; Bouyer, P.; Condon, G.; Rasel, E.; Schubert, C.; Schleich, WP; Roura, A. (2019). «Использование атомных интерферометрических квантовых датчиков в лабораторных условиях для реальных приложений». Nat. Rev. Phys . 1 (12): 731–739. Bibcode :2019NatRP...1..731B. doi :10.1038/s42254-019-0117-4. S2CID  209940190.
  23. ^ Воврош, Дж.; Драгомир, А.; Стрей, Б.; Боддис, Б. (2023). «Достижения в области портативного атомного интерферометрического измерения гравитации». Датчики . 23 (7): 7651. Bibcode : 2023Senso..23.7651V. doi : 10.3390/s23177651 . PMC 10490657. PMID  37688106 . 
  24. ^ Мюллер, Хольгер; Петерс, Ахим; Чу, Стивен (2010). «Точное измерение гравитационного красного смещения с помощью интерференции волн материи». Nature . 463 (7283): 926–929. Bibcode :2010Natur.463..926M. doi :10.1038/nature08776. PMID  20164925. S2CID  4317164.
  25. ^ Асенбаум, Питер; Оверстрит, Крис; Ким, Минджонг; Курти, Джозеф; Касевич, Марк А. (2020). «Атомно-интерферометрический тест принципа эквивалентности на уровне 10−12». Physical Review Letters . 125 (19): 191101. arXiv : 2005.11624 . doi :10.1103/PhysRevLett.125.191101. PMID  33216577. S2CID  218869931.
  26. ^ Коновер, Эмили (28 октября 2020 г.). «Знаменитый гравитационный эксперимент Галилея выдерживает проверку даже с отдельными атомами». Science News . Получено 6 августа 2023 г.
  27. ^ Ротман, Дэвид (8 февраля 2013 г.). «Дешевый и простой план по остановке глобального потепления». MIT Technology Review . Получено 1 июля 2021 г.
  28. ^ Фан, Цзяньчэн; Цинь, Цзе (2012). «Достижения в области атомных гироскопов: взгляд с точки зрения приложений инерциальной навигации». Датчики . 12 (5): 6331–6346. Bibcode : 2012Senso..12.6331F. doi : 10.3390/s120506331 . PMC 3386743. PMID  22778644 . 
  29. ^ Достижения в области атомных гироскопов: взгляд с точки зрения инерциальных навигационных приложений. Полный PDF
  30. ^ Холодные атомные гироскопы – Датчики IEEE 2013

Внешние ссылки