Interferometru atomic - Atom interferometer

Un interferometru atomic este un interferometru care folosește caracterul de undă al atomilor. Similar cu interferometrele optice, interferometrele atomice măsoară diferența de fază între undele de materie atomică de-a lungul diferitelor căi. Interferometrele atomice au multe utilizări în fizica fundamentală, inclusiv măsurători ale constantei gravitaționale , constantei structurii fine , universalității căderii libere și au fost propuse ca metodă de detectare a undelor gravitaționale . De asemenea, au aplicat utilizări ca accelerometre, senzori de rotație și gradioametrele gravitaționale.

Prezentare generală

Interferometria depinde în mod inerent de natura undelor obiectului. După cum a subliniat De Broglie în teza sa de doctorat, particulele, inclusiv atomii , se pot comporta ca undele (așa-numita dualitate undă-particulă , conform cadrului general al mecanicii cuantice ). Tot mai multe experimente de înaltă precizie folosesc acum interferometre atomice datorită lungimii lor de undă scurte de Broglie . Unele experimente utilizează acum chiar și molecule pentru a obține lungimi de undă de Broglie și mai scurte și pentru a căuta limitele mecanicii cuantice. În multe experimente cu atomi, rolurile materiei și ale luminii sunt inversate comparativ cu interferometrele bazate pe laser , adică separatorul de fascicule și oglinzile sunt lasere, în timp ce sursa emite unde de materie (atomii).

Tipuri de interferometre

senzor de gravitație

În timp ce utilizarea atomilor oferă acces ușor la frecvențe mai mari (și, prin urmare, precizii) decât lumina , atomii sunt afectați mult mai puternic de gravitație . În unele aparate, atomii sunt expulzați în sus și interferometria are loc în timp ce atomii sunt în zbor sau în timp ce cad în zbor liber. În alte experimente, efectele gravitaționale prin accelerare liberă nu sunt negate; forțe suplimentare sunt folosite pentru a compensa gravitația. În timp ce aceste sisteme ghidate pot oferi în principiu cantități arbitrare de timp de măsurare, coerența lor cuantică este încă în discuție. Studii teoretice recente indică faptul că coerența este într-adevăr păstrată în sistemele ghidate, dar acest lucru nu a fost încă confirmat experimental.

Interferometrele atomice timpurii au desfășurat fante sau fire pentru divizoarele de fascicule și oglinzi. Sistemele ulterioare, în special cele ghidate, au folosit forțe luminoase pentru divizarea și reflectarea undei de materie.

Exemple

grup	An	Specii atomice	Metodă	Efect (e) măsurat (e)
Pritchard	1991	Na , Na 2	Nano-fabricate grătare	Polarizabilitatea, indicele de refracție
Clauser	1994	K	Interferometru Talbot-Lau
Zeilinger	1995	Ar	Grilaje de difracție a undelor luminoase permanente
Helmke Bordé	1991		Ramsey – Bordé	Polarizabilitate, efect Aharonov – Bohm : exp / theo , efect Sagnac 0,3 rad / s / Hz ${\ displaystyle 0.99 \ pm 0.022}$ ${\ displaystyle \ surd}$
Chu	1991 1998	N / A Cs	Interferometru Kasevich - Chu Lumina impulsuri difracție Raman	Gravimetru : Constanta structurii fine :${\ displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {- 10}}$ ${\ displaystyle \ alpha \ pm 1.5 \ cdot 10 ^ {- 9}}$
Kasevich	1997 1998	Cs	Impulsuri de lumină difracție Raman	Giroscop: rad / s / Hz, Gradiometru : ${\ displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {- 8}}$${\ displaystyle \ surd}$
Berman			Talbot-Lau

Istorie

Separarea pachetelor de unde de materie de atomii completi a fost observată pentru prima dată de Esterman și Stern în 1930, când un fascicul de Na a fost difractat de pe o suprafață de NaCl. Primul interferometru atomic modern raportat a fost un experiment cu dublă fantă de tip Young cu atomi de heliu metastabil și o fantă dublă microfabricată de Carnal și Mlynek în 1991 și un interferometru care utilizează trei grătare de difracție microfabricate și atomi de Na în grupul din jurul lui David E. Pritchard la MIT. La scurt timp după aceea, o versiune optică a unui spectrometru Ramsey utilizat de obicei în ceasurile atomice a fost recunoscută și ca interferometru atomic la PTB din Braunschweig, Germania. Cea mai mare separare fizică între pachetele de unde parțiale ale atomilor a fost realizată folosind tehnici de răcire cu laser și a stimulat tranzițiile Raman de către S. Chu și colegii din Stanford. Mai recent, interferometrele atomice au început să se îndepărteze de condițiile de laborator și au început să abordeze o varietate de aplicații în medii reale de cuvinte.

Navigare inerțială

Prima echipă care a realizat un model de lucru, a lui Pritchard, a fost propulsată de DW Keith . După ce a obținut succesul, Keith a ales să părăsească fizica atomică, în parte deoarece una dintre cele mai evidente aplicații pentru interferometria atomică a fost în giroscopurile extrem de precise pentru submarinele care transportau rachete balistice . AIG-urile (giroscopii cu interferometru atomic) și ASG-urile (giroscopii cu rotire atomică) folosesc interferometrul atomic pentru a detecta rotația sau, în acest din urmă caz, utilizează rotirea atomică pentru a detecta rotația, ambele având dimensiuni compacte, precizie ridicată și posibilitatea de a fi realizate pe un cip scară. „Giroscoape AI“ poate concura, împreună cu ASGs, cu stabilit giroscopul inel cu laser , fibra optica giroscopul si giroscop rezonator emisferică în viitoarele orientare inerțială aplicații.

Vezi si

• Interferometru de electroni
• Interferometria Ramsey

Referințe

linkuri externe

• Cronin, AD; Schmiedmayer, J .; Pritchard, DE (2009). „Optică și interferometrie cu atomi și molecule”. Rev. Mod. Fizic . 81 (3): 1051-1129. arXiv : 0712.3703 . Bibcode : 2009RvMP ... 81.1051C . doi : 10.1103 / RevModPhys.81.1051 .
• Adams, CS; Sigel, M .; Mlynek, J. (1994). „Atom Optics” . Fizic. Rep . 240 (3): 143-210. Cod Bib : 1994PhR ... 240..143A . doi : 10.1016 / 0370-1573 (94) 90066-3 . Prezentare generală a interacțiunii atom-lumină
• PR Berman [Editor], Atom Interferometry . Academic Press (1997). Prezentare detaliată a interferometrelor atomice din acel moment (introduceri și teorie bune).
• Stedman Review of the Sagnac Effect