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 лазеров , т.е. светоделитель и зеркала представляют собой лазеры, в то время как источник излучает волны материи (атомы), а не свет. Атомные интерферометры измеряют разницу фаз между волнами атомной материи, идущими по разным путям. Волны материи управляются 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 гравитационные градиентометры. [2]
Обзор [ править ]
Интерферометрия разделяет волну на суперпозицию по двум разным путям. Пространственно-зависимый потенциал или локальное взаимодействие дифференцируют пути, создавая разность фаз между волнами. Атомные интерферометры используют волны материи центра масс с короткой длиной волны де Бройля . [3] [4] Эксперименты с использованием молекул были предложены для поиска пределов квантовой механики за счет использования более коротких длин волн Де Бройля молекул. [5]
Типы интерферометров [ править ]
Хотя использование атомов обеспечивает легкий доступ к более высоким частотам (и, следовательно, точности), чем свет влияет на атомы гораздо сильнее , гравитация . В некоторых аппаратах атомы выбрасываются вверх, и интерферометрия происходит, пока атомы летят 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 обеспечить произвольное время измерения, их квантовая когерентность все еще обсуждается. Недавние теоретические исследования показывают, что когерентность действительно сохраняется в управляемых системах, но это еще предстоит экспериментально подтвердить.
В первых атомных интерферометрах в качестве светоделителей и зеркал использовались щели или провода. Более поздние системы, особенно управляемые, использовали силы света для расщепления и отражения света.волна материи. [6]
Примеры [ править ]
| Группа | Год | Атомные виды | Метод | Измеряемый эффект(ы) |
|---|---|---|---|---|
| Притчард | 1991 | На , На 2 | Нано- решетки | Поляризуемость, показатель преломления |
| Клаузер | 1994 | К | Интерферометр Тальбота-Лау | |
| Моряк | 1995 | С | Стоячие дифракционные решетки световых волн | |
| Хельмке Ограниченный | 1991 | Рэмси – с границей | поляризуемость, Эффект Ааронова-Бома : exp/theo , Эффект Саньяка 0,3 рад/с/ Гц | |
| Ан | 1991 1998 | Уже Cs | Интерферометр Касевича-Чу Световые импульсы Рамановская дифракция | Гравиметр : Константа тонкой структуры : |
| Касевич | 1997 1998 | Cs | Световые импульсы Рамановская дифракция | Гироскоп: колесо/а/ Гц, Градиометр : |
| Берман | Талбот-Лау | |||
| Мюллер | 2018 | Cs | Интерферометр с границей Рамсея | Константа тонкой структуры : |
История [ править ]
Интерференцию волн атомной материи впервые наблюдали Иммануил Эстерманн и Отто Штерн в 1930 году, когда луч натрия (Na) дифрагировал от поверхности хлорида натрия (NaCl). [7] Первым современным атомным интерферометром, о котором сообщалось, был эксперимент с двумя щелями с метастабильными атомами гелия и микроизготовленной двойной щелью, проведенный О. Карналом и Юргеном Млынеком в 1991 году. [8] и интерферометр, использующий три микроизготовленные дифракционные решетки и атомы Na в группе Дэвида Э. Притчарда из Массачусетского технологического института (MIT). [9] Вскоре после этого оптическая версия спектрометра Рамсея, обычно используемая в атомных часах, была признана также атомным интерферометром в Физико-техническом Бундесансштальте (PTB) в Брауншвейге, Германия. [10] Наибольшее физическое разделение между парциальными волновыми пакетами атомов было достигнуто с помощью методов лазерного охлаждения и стимулирования комбинационных переходов Стивеном Чу и его коллегами из Стэнфордского университета . [11]
о дифракции C 60 . фуллеренов В 1999 году исследователи из Венского университета сообщили [12] Фуллерены — сравнительно крупные и массивные объекты, имеющие атомную массу около 720 ед . Длина волны де Бройля падающего луча 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 можно было распространить на молекулы фталоцианина и их более тяжелые производные, которые состоят из 58 и 114 атомов соответственно. В этих экспериментах построение таких интерференционных картин можно было зарегистрировать в реальном времени и с чувствительностью к одной молекуле. [13]
В 2003 году Венская группа также продемонстрировала волновую природу тетрафенилпорфирина. [14] — плоский биокраситель длиной около 2 нм и массой 614 ед. Для этой демонстрации они использовали интерферометр Тэлбота Лау ближнего поля. [15] [16] В том же интерферометре они также обнаружили интерференционные полосы для C 60 F 48 , фторированного бакибола массой около 1600 u, состоящего из 108 атомов. [14] Большие молекулы уже настолько сложны, что открывают экспериментальный доступ к некоторым аспектам квантово-классического интерфейса, т. е. к определенным декогеренции . механизмам [17] [18] В 2011 году интерференция молекул весом до 6910 у.е. могла быть продемонстрирована в интерферометре Капицы – Дирака – Тальбота – Лау. [19] В 2013 году было продемонстрировано взаимодействие молекул на расстоянии более 10 000 u. [20]
Всесторонний обзор 2008 года, проведенный Александром Д. Кронином, Йоргом Шмидмайером и Дэвидом Э. Притчардом, документирует множество новых экспериментальных подходов к атомной интерферометрии. [21] Совсем недавно атомные интерферометры начали выходить за пределы лабораторных условий и начали находить различные применения в реальных условиях. [22] [23]
Приложения [ править ]
Гравитационная физика [ править ]
Точное измерение гравитационного красного смещения было сделано в 2009 году Хольгером Мюллером, Ахимом Петерсом и Стивеном Чу. Никаких нарушений общей теории относительности до размера 7×10 обнаружено не было. -9 . [24]
В 2020 году Питер Асенбаум, Крис Оверстрит, Минджон Ким, Джозеф Курти и Марк А. Касевич использовали атомную интерферометрию для проверки принципа эквивалентности в общей теории относительности. Около 10 нарушений не нашли. -12 . [25] [26]
[ править ]
Первую команду Притчарда, создавшую рабочую модель, возглавил Дэвид Кит . [27] Атомные интерферометрические гироскопы (AIG) и атомно-спиновые гироскопы (ASG) используют атомный интерферометр для измерения вращения или, в последнем случае, используют атомный спин для измерения вращения, обладая при этом компактными размерами, высокой точностью и возможностью изготовления на кристалле. шкала. [28] [29] «ИИ-гироскопы» могут конкурировать наряду с ASG с уже известными кольцевыми лазерными гироскопами , оптоволоконными гироскопами и гироскопами с полусферическим резонатором в будущих приложениях инерциального наведения . [30]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Хехт, Юджин (2017). Оптика (5-е изд.). Пирсон. ISBN 978-0-133-97722-6 .
- ^ Стрэй, Бен; Лэмб, Эндрю; Кошик, Аиша; Воврош, Джейми; Лебедка, Джонатан; Хаяти, Фарзад; Боддис, Дэниел; Стабрава, Артур; Ниггебаум, Александр; Ланглуа, Мехди; Лиен, Ю-Хун; Леллуш, Сэмюэл; Рошанманеш, Саназ; Ридли, Кевин; де Вильерс, Джеффри; Браун, Гарет; Кросс, Тревор; Таквелл, Джордж; Фарамарзи, Асаад; Метье, Николь; Бонгс, Кай; Холинский, Майкл (2020). «Квантовое зондирование для гравитационной картографии» . Природа . 602 (7898): 590–594. дои : 10.1038/s41586-021-04315-3 . ПМЦ 8866129 . ПМИД 35197616 .
- ^ Кронин, А.Д.; Шмидмайер, Дж.; Причард, Делавэр (2009). «Оптика и интерферометрия атомов и молекул». Преподобный Мод. Физ . 81 (3): 1051–1129. arXiv : 0712.3703 . Бибкод : 2009РвМП...81.1051С . дои : 10.1103/RevModPhys.81.1051 . S2CID 28009912 .
- ^ Адамс, CS; Сигел, М.; Млынек, Дж. (1994). «Атомная оптика» . Физ. Представитель . 240 (3): 143–210. Бибкод : 1994PhR...240..143A . дои : 10.1016/0370-1573(94)90066-3 .
- ^ Хорнбергер, К.; и др. (2012). «Коллоквиум: Квантовая интерференция кластеров и молекул». Преподобный Мод. Физ . 84 (1): 157. arXiv : 1109.5937 . Бибкод : 2012RvMP...84..157H . дои : 10.1103/revmodphys.84.157 . S2CID 55687641 .
- ^ Расел, Э.М.; и др. (1995). «Атомно-волновая интерферометрия с дифракционными решетками света» . Физ. Преподобный Летт . 75 (14): 2633–2637. Бибкод : 1995PhRvL..75.2633R . дои : 10.1103/physrevlett.75.2633 . ПМИД 10059366 .
- ^ Эстерманн, И.; Стерн, Отто (1930). «Дифракция молекулярных пучков». З. Физ . 61 (1–2): 95. Бибкод : 1930ZPhy...61...95E . дои : 10.1007/bf01340293 . S2CID 121757478 .
- ^ Карнал, О.; Млынек, Дж. (1991). «Двущелевой эксперимент Янга с атомами: простой атомный интерферометр» . Физ. Преподобный Летт . 66 (21): 2689–2692. Бибкод : 1991PhRvL..66.2689C . дои : 10.1103/physrevlett.66.2689 . ПМИД 10043591 .
- ^ Кейт, Д.В.; Экстром, ЧР; Турчетт, QA; Причард, Делавэр (1991). «Интерферометр для атомов». Физ. Преподобный Летт . 66 (21): 2693–2696. Бибкод : 1991PhRvL..66.2693K . дои : 10.1103/physrevlett.66.2693 . ПМИД 10043592 . S2CID 6559338 .
- ^ Риле, Ф.; чё; Витте, А.; Хельмке, Дж.; Ч; Борде, Дж. (1991). «Оптическая спектроскопия Рамсея во вращающейся системе отсчета: эффект Саньяка в интерферометре материи-волны». Физ. Преподобный Летт . 67 (2): 177–180. Бибкод : 1991PhRvL..67..177R . дои : 10.1103/physrevlett.67.177 . ПМИД 10044514 .
- ^ Касевич, М.; Чу, С. (1991). «Атомная интерферометрия с использованием вынужденных комбинационных переходов». Физ. Преподобный Летт . 67 (2): 181–184. Бибкод : 1991PhRvL..67..181K . дои : 10.1103/physrevlett.67.181 . ПМИД 10044515 . S2CID 30845889 .
- ^ Арндт, Маркус; О. Наирз; Дж. Восс-Андре , К. Келлер, Г. ван дер Зу, А. Цайлингер (14 октября 1999 г.). «Волново-частичный дуализм C60 » . Природа 401 (6754): 680–682. Бибкод : 1999Nature.401..680A . дои : 10.1038/44348 . ПМИД 18494170 . S2CID 4424892 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Юффманн, Томас; и др. (25 марта 2012 г.). «Визуализация квантовой интерференции одиночных молекул в реальном времени». Природные нанотехнологии . 7 (5): 297–300. arXiv : 1402.1867 . Бибкод : 2012NatNa...7..297J . дои : 10.1038/nnano.2012.34 . ПМИД 22447163 . S2CID 5918772 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хакермюллер, Люсия; Стефан Уттенталер; Клаус Хорнбергер; Элизабет Рейгер; Бьёрн 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 . ПМИД 14525169 . S2CID 13533517 .
- ^ Клаузер, Джон Ф.; С. Ли (1994). «Интерефометрия Тальбота фон Лау с холодными медленными атомами калия». Физ. Преподобный А. 49 (4): R2213–2217. Бибкод : 1994PhRvA..49.2213C . дои : 10.1103/PhysRevA.49.R2213 . ПМИД 9910609 .
- ^ Брезгер, Бьёрн; Люсия Хакермюллер; Стефан Уттенталер; Юлия Петшинка; Маркус Арндт; Антон Цайлингер (2002). «Материйно-волновой интерферометр для больших молекул». Физ. Преподобный Летт . 88 (10): 100404. arXiv : quant-ph/0202158 . Бибкод : 2002PhRvL..88j0404B . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.100404 . ПМИД 11909334 . S2CID 19793304 .
- ^ Хорнбергер, Клаус; Стефан Уттенталер; Бьёрн Брезгер; Люсия Хакермюллер; Маркус Арндт; Антон Цайлингер (2003). «Наблюдение столкновительной декогеренции в интерферометрии». Физ. Преподобный Летт . 90 (16): 160401. arXiv : quant-ph/0303093 . Бибкод : 2003PhRvL..90p0401H . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.160401 . ПМИД 12731960 . S2CID 31057272 .
- ^ Хакермюллер, Люсия; Клаус Хорнбергер; Бьёрн Брезгер; Антон Цайлингер; Маркус Арндт (2004). «Декогерентация волн материи путем теплового излучения излучения». Природа . 427 (6976): 711–714. arXiv : Quant-ph/0402146 . Бибкод : 2004Natur.427..711H . дои : 10.1038/nature02276 . ПМИД 14973478 . S2CID 3482856 .
- ^ Герлих, Стефан; и др. (2011). «Квантовая интерференция крупных органических молекул» . Природные коммуникации . 2 (263): 263. Бибкод : 2011NatCo...2..263G . дои : 10.1038/ncomms1263 . ПМК 3104521 . ПМИД 21468015 .
- ^ Эйбенбергер, С.; Герлих, С.; Арндт, М.; Мэр, М.; Тюксен, Дж. (2013). «Материйно-волновая интерференция частиц, выбранных из молекулярной библиотеки с массой более 10 000 а.е.м.». Физическая химия Химическая физика . 15 (35): 14696–14700. arXiv : 1310.8343 . Бибкод : 2013PCCP...1514696E . дои : 10.1039/c3cp51500a . ПМИД 23900710 . S2CID 3944699 .
- ^ Кронин, Александр Д.; Шмидмайер, Йорг; Причард, Дэвид Э. (2009). «Оптика и интерферометрия атомов и молекул». Обзоры современной физики . 81 (3): 1051–1129. arXiv : 0712.3703 . Бибкод : 2009РвМП...81.1051С . дои : 10.1103/RevModPhys.81.1051 . S2CID 28009912 .
- ^ Бонгс, К.; Холинский, М.; Воврош Ю.; Буйер, П.; Кондон, Г.; Разель, Э.; Шуберт, К.; Шляйх, В.П.; Роура, А. (2019). «Перенос атомных интерферометрических квантовых датчиков из лаборатории в реальные приложения». Нат. Преподобный физ . 1 (12): 731–739. Бибкод : 2019НатРП...1..731Б . дои : 10.1038/s42254-019-0117-4 . S2CID 209940190 .
- ^ Воврош Ю.; Драгомир, А.; Стрэй, Б.; Боддис, Б. (2023). «Достижения в области портативного гравитационного зондирования на основе атомной интерферометрии» . Датчики . 23 (7): 7651. Бибкод : 2023Senso..23.7651V . дои : 10.3390/s23177651 . ПМЦ 10490657 . ПМИД 37688106 .
- ^ Мюллер, Хольгер; Петерс, Ахим; Чу, Стивен (2010). «Точное измерение гравитационного красного смещения путем интерференции волн материи» . Природа . 463 (7283): 926–929. Бибкод : 2010Natur.463..926M . дои : 10.1038/nature08776 . ПМИД 20164925 . S2CID 4317164 .
- ^ Асенбаум, Питер; Оверстрит, Крис; Ким, Минджон; Курти, Джозеф; Касевич, Марк А. (2020). «Атомно-интерферометрическая проверка принципа эквивалентности на уровне 10−12» . Письма о физических отзывах . 125 (19): 191101. arXiv : 2005.11624 . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.191101 . ПМИД 33216577 . S2CID 218869931 .
- ^ Коновер, Эмили (28 октября 2020 г.). «Знаменитый гравитационный эксперимент Галилея верен даже для отдельных атомов» . Новости науки . Проверено 6 августа 2023 г.
- ^ Ротман, Дэвид (8 февраля 2013 г.). «Дешевый и простой план остановить глобальное потепление» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 1 июля 2021 г.
- ^ Фан, Цзяньчэн; Цинь, Цзе (2012). «Достижения в области атомных гироскопов: взгляд на приложения инерциальной навигации» . Датчики . 12 (5): 6331–6346. Бибкод : 2012Senso..12.6331F . дои : 10.3390/s120506331 . ПМЦ 3386743 . ПМИД 22778644 .
- ^ Достижения в области атомных гироскопов: взгляд из приложений инерциальной навигации. Полный PDF-файл
- ^ Холодные атомные гироскопы - Датчики IEEE, 2013 г.
Внешние ссылки [ править ]
- П.Р. Берман [редактор], Атомная интерферометрия . Академическое издательство (1997). Подробный обзор атомных интерферометров того времени (хорошее введение и теория).
- Обзор Стедмана эффекта Саньяка