Interferometr atomowy

Interferometru atomowa jest interferometr , który wykorzystuje właściwości falowe węgla . Przy pomocy interferometrów atomowych można z dużą dokładnością określić stałe podstawowe, takie jak stała grawitacji , ale możliwe jest również zbadanie takich zjawisk, jak fale grawitacyjne .

Przegląd

Interferometria opiera się na właściwościach fal . Jak postulował Louis de Broglie w swojej rozprawie, cząstki, w tym atomy , mogą zachowywać się jak fale (tzw. Dualizm korpuskularno-falowy ) - to centralna zasada mechaniki kwantowej . Jeśli w eksperymentach wymagana jest bardzo duża dokładność, coraz częściej stosuje się interferometry atomowe, ponieważ atomy mają bardzo małą długość fali De Broglie . Niektóre eksperymenty wykorzystują teraz nawet cząsteczki, aby osiągnąć jeszcze mniejsze długości fal i szukać granic ważności mechaniki kwantowej. W wielu eksperymentach z atomami role materii i światła są odwrócone w porównaniu z interferometrami laserowymi ; Zamiast światła przeszkadza materia. Kontrola stanów kwantowych interferujących atomów odbywa się za pomocą promieniowania laserowego. Efekt tych wiązek laserowych odpowiada z. B. zwierciadła i dzielniki wiązki w interferometrze optycznym.

Typy interferometrów

Zastosowanie atomów pozwala na użycie wyższych częstotliwości (a tym samym dokładności) niż w przypadku światła , ale jednocześnie atomy są również bardziej narażone na działanie grawitacji . W niektórych urządzeniach atomy są wyrzucane w górę i interferometria zachodzi, gdy atomy są w locie lub w swobodnym spadku. W innych eksperymentach stosuje się dodatkowe siły, aby skompensować siły grawitacyjne. W zasadzie te systemy sterowane pozwalają na nieograniczone czasy pomiarów, ale ich spójność jest nadal przedmiotem dyskusji. Nowsze badania teoretyczne sugerują, że spójność jest zachowana w systemach sterowanych, ale nie zostało to jeszcze potwierdzone eksperymentalnie.

Pierwsze interferometry atomowe wykorzystywały szczeliny lub druty jako rozdzielacze wiązki i lustra. Późniejsze układy, zwłaszcza sterowane, wykorzystywały siły świetlne do podziału i odbicia fali materii.

Przykłady

Grupa	rok	Typy atomowe	metoda	Mierzony efekt (y)
Pritcharda	1991	Cóż , dobrze 2	nanostrukturalna siatka dyfrakcyjna	Polaryzowalność , współczynnik załamania światła
Clauser	1994	K.	Interferometr Talbota-Lau (wykorzystuje efekt Talbota )
Zeilinger	1995	Ar	Siatka dyfrakcyjna ze stojących fal świetlnych
Sterr (PTB)			Ramsey Bordé	Polaryzowalność, efekt Aharonova-Bohma : exp / theo , Sagnac${\ displaystyle 0 {,} 99 \ pm 0 {,} 022}$ ${\ Displaystyle 0 {,} 3 \ \ mathrm {rad / s {\ sqrt {Hz}}}}$
Kasevich , Chu			Efekt Dopplera na opadających atomach	Grawimetr : Rotacja: , stała struktury subtelnej :${\ Displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {- 10}}$ ${\ Displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {- 8} \ \ mathrm {/ s / {\ sqrt {Hz}}}}$ ${\ Displaystyle \ alpha \ pm 1 {,} 5 \ cdot 10 ^ {- 9}}$

fabuła

Oddzielenie fal materii całych atomów zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez Estermanna i Sterna w 1929 roku, kiedy promienie wodoru i helu zostały ugięte na powierzchni przez chlorek sodu . Pierwsze doniesienia o nowoczesnych interferometrach atomowych były w 1991 r. Eksperymentem z podwójną szczeliną według Younga z metastabilnymi atomami helu i mikrostrukturalną podwójną szczeliną autorstwa Carnal i Mlynek oraz interferometrem z trzema mikrostrukturowanymi siatkami dyfrakcyjnymi i atomami sodu w grupie Pritcharda w MIT. Wkrótce potem Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) odkrył, że optyczny spektrometr Ramseya, który jest zwykle używany w zegarach atomowych, może być również używany jako interferometr atomowy. Największa separacja przestrzenna między pakietami fal częściowych została osiągnięta za pomocą chłodzenia laserowego i stymulowanych przejść Ramana przez Chu i współpracowników ze Stanford.

literatura

• Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer, David E. Pritchard: Optyka i interferometria z atomami i cząsteczkami . W: Reviews of Modern Physics . taśma 81 , nie. 3 , 28 lipca 2009, s. 1051-1129 , doi : 10.1103 / RevModPhys.81.1051 . 

• CS Adams: Atom Optics . W: Contemporary Physics . taśma 35 , nie. 1 , 1994, s. 1–19 , doi : 10.1080 / 00107519408217492 (przegląd interakcji atom-światło). 

• Paul R. Berman (red.): Interferometria atomowa . Academic Press, 1997, ISBN 978-0-08-052768-0 (Szczegółowy przegląd ówczesnych interferometrów atomowych; dobre wprowadzenie i teoria). 

• Uwe Sterr, Fritz Riehle: Interferometria atomowa . W: PTB-Mitteilungen . taśma 119 , nie. 2 , 2009, s. 159-166 ( interferometria atomowa ( pamiątka z 29 grudnia 2013 r. W Internet Archive ) [PDF; 5,6 MB ; dostęp 17 czerwca 2016]). 

Indywidualne dowody

1. ↑ Savas Dimopoulos, Peter W. Graham, Jason M. Hogan, Mark A. Kasevich, Surjeet Rajendran: Wykrywanie fal grawitacyjnych za pomocą interferometrii atomowej . W: Physics Letters B . taśma 678 , nie. 1 , 6 lipca 2009, s. 37-40 , doi : 10.1016 / j.physletb.2009.06.011 . 
2. ↑ Klaus Hornberger , Stefan Gerlich, Philipp Haslinger, Stefan Nimmrichter, Markus Arndt: Kolokwium: Kwantowa interferencja klastrów i cząsteczek . W: Reviews of Modern Physics . taśma 84 , nie. 1 , 8 lutego 2012, s. 157-173 , doi : 10.1103 / RevModPhys.84.157 . 
3. ^ Ernst M. Rasel, Markus K. Oberthaler, Herman Batelaan, Jörg Schmiedmayer, Anton Zeilinger: Atom Wave Interferometry with Diffraction Gratings of Light . W: Physical Review Letters . taśma 75 , nie. 14 , 2 października 1995, s. 2633-2637 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.75.2633 . 
4. ^ I. Estermann, O. Stern: Dyfrakcja wiązek molekularnych . W: Journal of Physics . taśma 61 , nie. 1-2 , 1 stycznia 1930, ss. 95-125 , doi : 10.1007 / BF01340293 . 
5. ^ O. Carnal, J. Mlynek: Doświadczenie Younga z podwójną szczeliną z atomami: prosty interferometr atomowy . W: Physical Review Letters . taśma 66 , nie. 21 , 27 maja 1991, s. 2689-2692 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.66.2689 . 
6. ↑ David W. Keith, Christopher R. Ekstrom, Quentin A. Turchette, David E. Pritchard: Interferometr dla atomów . W: Physical Review Letters . taśma 66 , nie. 21 , 27 maja 1991, s. 2693-2696 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.66.2693 . 
7. ^ F. Riehle, Th. Kisters, A. Witte, J. Helmcke, Ch. J. Bordé: Optyczna spektroskopia Ramseya w ramie obrotowej: efekt Sagnaca w interferometrze fal materii . W: Physical Review Letters . taśma 67 , nie. 2 , 8 lipca 1991, s. 177-180 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.67.177 . 
8. ↑ M. Kasevich, S. Chu: Pomiar przyspieszenia grawitacyjnego atomu za pomocą interferometru atomów z impulsami świetlnymi . W: Applied Physics B . taśma 54 , nie. 5 , 1 maja 1992, s. 321-332 , doi : 10.1007 / BF00325375 .