Атомный интерферометр - Atom interferometer

Атомная интерферометрия

An атомный интерферометр является интерферометр который использует волна характер атомов. Подобно оптическим интерферометрам, атомные интерферометры измеряют разность фаз между волнами атомной материи на разных траекториях. Атомные интерферометры находят множество применений в фундаментальной физике, включая измерения гравитационная постоянная, то постоянная тонкой структуры, универсальность свободного падения, и были предложены в качестве метода обнаружения гравитационные волны.[1] Они также нашли применение в качестве акселерометров, датчиков вращения и градиентометров силы тяжести.

Обзор

Интерферометрия по своей сути зависит от волна характер объекта. Как указал де Бройль в его докторской диссертации частицы, в том числе атомы, могут вести себя как волны (так называемые дуальность волна-частица, согласно общей структуре квантовая механика ). В настоящее время все больше и больше высокоточных экспериментов используют атомные интерферометры из-за их коротких длина волны де Бройля. Некоторые эксперименты сейчас даже используют молекулы получить еще более короткие длины волн де Бройля и найти пределы квантовой механики.[2] Во многих экспериментах с атомами роли материи и света меняются местами по сравнению с лазер основанные на интерферометрах, то есть светоделитель и зеркала являются лазерами, а источник вместо этого излучает волны вещества (атомы).

Типы интерферометров

датчик силы тяжести

Хотя использование атомов обеспечивает легкий доступ к более высоким частотам (и, следовательно, к точности), чем свет, на атомы гораздо сильнее влияет сила тяжести. В некоторых устройствах атомы выбрасываются вверх, и интерферометрия происходит, когда атомы находятся в полете или падают в свободном полете. В других экспериментах гравитационные эффекты свободного ускорения не отменяются; дополнительные силы используются для компенсации силы тяжести. Хотя эти управляемые системы в принципе могут обеспечивать произвольное время измерения, их квантовая когерентность все еще обсуждается. Недавние теоретические исследования показывают, что когерентность действительно сохраняется в управляемых системах, но это еще не подтверждено экспериментально.

Первые атомные интерферометры использовали щели или провода для светоделителей и зеркал. Более поздние системы, особенно управляемые, использовали световые силы для расщепления и отражения материальной волны.[3]

Примеры

ГруппаГодАтомные видыМетодИзмеренный эффект (ы)
Причард1991Na, Na2Нано-изготовленный решеткиПоляризуемость, показатель преломления
Клаузер1994KИнтерферометр Тальбота-Лау
Цайлингер1995ArДифракционные решетки на стоячих световых волнах
Helmke
Борде		1991Рэмси-БордеПоляризуемость,
Эффект Ааронова – Бома: exp / theo ,
Эффект Саньяка 0,3 рад / с /Гц
Чу1991
1998		Na

CS

Интерферометр Касевича - Чу
Световые импульсы Рамановская дифракция		Гравиметр:
Постоянная тонкой структуры:
Касевич1997
1998		CSСветовые импульсы Рамановская дифракцияГироскоп: рад / с /Гц,
Градиометр:
БерманTalbot-Lau

История

Отделение волновых пакетов материи от целых атомов было впервые обнаружено Эстерманом и Стерном в 1930 году, когда пучок натрия дифрагировал от поверхности NaCl.[4] Сообщается, что первый современный атомный интерферометр был типа Юнга. двойная щель эксперимент с метастабильными атомами гелия и микроизготовленной двойной щелью Карнала и Млинека[5] в 1991 году, а также интерферометр, использующий три дифракционные решетки и атомы Na в группе вокруг Притчарда в Массачусетском технологическом институте.[6] Вскоре после этого оптическая версия спектрометра Рамсея, обычно используемого в атомных часах, была признана также в качестве атомного интерферометра в PTB в Брауншвейге, Германия.[7] Наибольшее физическое разделение между парциальными волновыми пакетами атомов было достигнуто с помощью методов лазерного охлаждения и стимулированных рамановских переходов С. Чу и его коллегами из Стэнфорда.[8] Совсем недавно атомные интерферометры начали выходить за рамки лабораторных условий и начали решать различные задачи в реальных условиях.[9]

Инерциальная навигация

Первая команда, создавшая рабочую модель, Pritchard's, в которую входил Д.У. Кейт побудил Кейта оставить атомную физику после достижения успеха, отчасти потому, что одним из наиболее очевидных приложений атомной интерферометрии была высокоточная гироскопы за подводные лодки с баллистическими ракетами.[10] AIG (гироскопы с атомным интерферометром) и ASG (гироскопы с атомным спином) используют атомный интерферометр для измерения вращения или, в последнем случае, используют атомный спин для определения вращения с компактными размерами, высокой точностью и возможностью изготовления в масштабе микросхемы.[11][12] «Гироскопы AI» могут конкурировать, наряду с ASG, с установленными кольцевой лазерный гироскоп, волоконно-оптический гироскоп и полусферический резонаторный гироскоп в будущем инерционное наведение Приложения.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Dimopoulos, S .; и другие. (2009). «Детектирование гравитационных волн с помощью атомной интерферометрии». Письма по физике B. 678 (1): 37–40. arXiv:0712.1250. Bibcode:2009ФЛБ..678 ... 37Д. Дои:10.1016 / j.physletb.2009.06.011.
  2. ^ Хорнбергер, К .; и другие. (2012). «Коллоквиум: Квантовая интерференция кластеров и молекул». Ред. Мод. Phys. 84 (1): 157. arXiv:1109.5937. Bibcode:2012RvMP ... 84..157H. Дои:10.1103 / revmodphys.84.157.
  3. ^ Rasel, E.M .; и другие. (1995). «Атомно-волновая интерферометрия с дифракционными световыми решетками». Phys. Rev. Lett. 75 (14): 2633–2637. Bibcode:1995ПхРвЛ..75.2633Р. Дои:10.1103 / Physrevlett.75.2633. PMID  10059366.
  4. ^ Estermann, I .; Стерн, Отто (1930). "Beugung von Molekularstrahlen". Z. Phys. 61 (1–2): 95. Bibcode:1930ZPhy ... 61 ... 95E. Дои:10.1007 / bf01340293.
  5. ^ Carnal, O .; Млынек, Дж. (1991). "Двухщелевой эксперимент Юнга с атомами: простой атомный интерферометр". Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2689. Bibcode:1991ПхРвЛ..66.2689С. Дои:10.1103 / Physrevlett.66.2689. PMID  10043591.
  6. ^ Keith, D.W .; Ekstrom, C.R .; Turchette, Q.A .; Причард, Д. (1991). «Интерферометр для атомов». Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2693–2696. Bibcode:1991ПхРвЛ..66.2693К. Дои:10.1103 / Physrevlett.66.2693. PMID  10043592. S2CID  6559338.
  7. ^ Riehle, F .; Чт; Витте, А .; Helmcke, J .; Ch; Борде, Дж. (1991). «Оптическая спектроскопия Рамсея во вращающейся рамке: эффект Саньяка в интерферометре материальных волн». Phys. Rev. Lett. 67 (2): 177–180. Bibcode:1991ПхРвЛ..67..177Р. Дои:10.1103 / Physrevlett.67.177. PMID  10044514.
  8. ^ Касевич, М .; Чу, С. (1991). «Атомная интерферометрия с использованием вынужденных рамановских переходов». Phys. Rev. Lett. 67 (2): 181–184. Bibcode:1991ПхРвЛ..67..181К. Дои:10.1103 / Physrevlett.67.181. PMID  10044515.
  9. ^ Бонги, К .; Holynski, M .; Воврош, Дж .; Bouyer, P .; Condon, G .; Rasel, E .; Schubert, C .; Schleich, W.P .; Roura, A. (1991). «Перевод атомных интерферометрических квантовых датчиков из лаборатории в реальные приложения». Nat. Преподобный Phys. 1 (12): 731–739. Дои:10.1038 / с42254-019-0117-4.
  10. ^ «Намеренное изменение атмосферы Земли для компенсации повышения температуры может оказаться гораздо более осуществимым, чем вы думаете», - говорит Дэвид Кейт. Неправильная ссылка!
  11. ^ Фанг, Цзяньчэн; Цинь, Цзе (2012). "Достижения в атомных гироскопах: взгляд из приложений инерциальной навигации". Датчики. 12 (5): 6331–6346. Дои:10,3390 / с120506331. ЧВК  3386743. PMID  22778644.
  12. ^ Достижения в атомных гироскопах: взгляд из приложений инерциальной навигации. Полный PDF
  13. ^ Гироскопы с холодным атомом - датчики IEEE 2013

внешняя ссылка