Atomový interferometr - Atom interferometer

Atomová interferometrie

An atomový interferometr je interferometr který používá mávat charakter atomů. Podobně jako optické interferometry, atomové interferometry měří rozdíl fází mezi vlnami atomové hmoty podél různých cest. Atomové interferometry mají mnoho využití v základní fyzice, včetně měření gravitační konstanta, konstanta jemné struktury, univerzálnost volného pádu, a byly navrženy jako metoda detekce gravitační vlny.[1] Rovněž uplatnili použití jako akcelerometry, snímače otáčení a gravitační gradiometry.

Přehled

Interferometrie neodmyslitelně závisí na mávat povaha objektu. Jak zdůraznil de Broglie ve své disertační práci částice včetně atomy se mohou chovat jako vlny (tzv dualita vln-částic, podle obecného rámce kvantová mechanika ). Stále více experimentů s vysokou přesností nyní využívá atomové interferometry kvůli jejich krátkosti vlnová délka de Broglie. Některé experimenty se nyní dokonce používají molekuly získat ještě kratší de Broglieho vlnové délky a hledat meze kvantové mechaniky.[2] V mnoha experimentech s atomy jsou role hmoty a světla obráceny ve srovnání s laser interferometry založené na bázi, tj. rozdělovač paprsků a zrcadla jsou lasery, zatímco zdroj místo toho vydává vlnu hmoty (atomy).

Typy interferometrů

gravitační senzor

Zatímco použití atomů nabízí snadný přístup k vyšším frekvencím (a tedy přesnostem) než světlo, atomy jsou ovlivněny mnohem silněji gravitace. V některých aparátech jsou atomy vyhozeny nahoru a interferometrie probíhá, když jsou atomy v letu nebo při volném letu. V jiných experimentech nejsou gravitační efekty volnou akcelerací vyvráceny; další síly se používají ke kompenzaci gravitace. I když tyto řízené systémy v zásadě mohou poskytovat libovolné množství času měření, jejich kvantová koherence je stále v diskusi. Nedávné teoretické studie naznačují, že v řízených systémech je skutečně zachována soudržnost, ale toto musí být ještě experimentálně potvrzeno.

Interferometry prvních atomů nasadily štěrbiny nebo dráty pro rozdělovače paprsků a zrcadla. Pozdější systémy, zejména ty naváděné, používaly světelné síly k rozdělení a odrážení vln hmoty.[3]

Příklady

SkupinaRokAtomové druhyMetodaMěřené účinky
Pritchard1991Na, Na2Nano-vyrobené roštyPolarizovatelnost, index lomu
Clauser1994K.Talbot-Lauův interferometr
Zeilinger1995ArStacionární mřížkové difrakční mřížky
Helmke
Bordé		1991Ramsey – BordéPolarizovatelnost,
Aharonov – Bohmův efekt: exp / theo ,
Efekt Sagnac 0,3 rad / s /Hz
Chu1991
1998		Na

Čs

Kasevich - Chu interferometr
Světelné impulsy Ramanova difrakce		Gravimetr:
Konstanta jemné struktury:
Kasevich1997
1998		ČsSvětelné impulsy Ramanova difrakceGyroskop: rad / s /Hz,
Gradiometr:
BermanTalbot-Lau

Dějiny

Oddělení paketů vln hmoty od úplných atomů poprvé pozorovali Esterman a Stern v roce 1930, kdy byl paprsek Na odražen od povrchu NaCl.[4] První moderní atomový interferometr uváděný byl Youngova typu dvojitá štěrbina experiment s metastabilními atomy helia a mikrofabrikovanou dvojitou štěrbinou Carnal a Mlynek[5] v roce 1991 a interferometr využívající tři mikrofabrikované difrakční mřížky a atomy Na ve skupině kolem Pritcharda na MIT.[6] Krátce nato byla optická verze Ramseyho spektrometru typicky používaného v atomových hodinách rozpoznána také jako atomový interferometr na PTB v Braunschweigu v Německu.[7] Největší fyzické separace mezi pakety částečných vln atomů bylo dosaženo pomocí laserových technik chlazení a stimulovaných Ramanových přechodů S. Chu a spolupracovníky ve Stanfordu.[8] V poslední době se atomové interferometry začaly stěhovat z laboratorních podmínek a začaly se zabývat různými aplikacemi v prostředí reálných slov.[9]

Inerciální navigace

První tým, který vytvořil funkční model, Pritchard's, který zahrnoval D.W. Keith vyzval Keitha, aby po dosažení úspěchu opustil atomovou fyziku, zčásti proto, že jedna z nejviditelnějších aplikací pro atomovou interferometrii byla vysoce přesná gyroskopy pro ponorky nesoucí balistické střely.[10] AIG (atomové interferometrické gyroskopy) a ASG (atomové rotační gyroskopy) používají atomový interferometr ke snímání rotace nebo v druhém případě používají atomová rotace snímat rotaci, přičemž oba mají kompaktní rozměry, vysokou přesnost a možnost výroby na čipové stupnici.[11][12] „AI gyroskopy“ mohou konkurovat společně s ASG zavedeným prstencový laserový gyroskop, gyroskop z optických vláken a polokulovitý rezonátorový gyroskop napříště setrvačné vedení aplikace.[13]

Viz také

Reference

  1. ^ Dimopoulos, S .; et al. (2009). "Detekce gravitačních vln s atomovou interferometrií". Fyzikální písmena B. 678 (1): 37–40. arXiv:0712.1250. Bibcode:2009PhLB..678 ... 37D. doi:10.1016 / j.physletb.2009.06.011.
  2. ^ Hornberger, K .; et al. (2012). „Kolokvium: Kvantová interference shluků a molekul“. Rev. Mod. Phys. 84 (1): 157. arXiv:1109.5937. Bibcode:2012RvMP ... 84..157H. doi:10.1103 / revmodphys.84.157.
  3. ^ Rasel, E. M .; et al. (1995). "Atomová vlnová interferometrie s difrakčními mřížkami světla". Phys. Rev. Lett. 75 (14): 2633–2637. Bibcode:1995PhRvL..75,2633R. doi:10.1103 / fyzrevlett.75.2633. PMID  10059366.
  4. ^ Estermann, I .; Stern, Otto (1930). „Beugung von Molekularstrahlen“. Z. Phys. 61 (1–2): 95. Bibcode:1930ZPhy ... 61 ... 95E. doi:10.1007 / bf01340293.
  5. ^ Carnal, O .; Mlynek, J. (1991). „Youngův experiment s dvojitou štěrbinou s atomy: jednoduchý atomový interferometr“. Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2689. Bibcode:1991PhRvL..66.2689C. doi:10,1103 / fyzrevlett 66,2689. PMID  10043591.
  6. ^ Keith, D.W .; Ekstrom, C.R .; Turchette, Q.A .; Pritchard, D.E. (1991). "Interferometr pro atomy". Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2693–2696. Bibcode:1991PhRvL..66,2693K. doi:10,1103 / fyzrevlett 66,2693. PMID  10043592. S2CID  6559338.
  7. ^ Riehle, F .; Th; Witte, A .; Helmcke, J .; Ch; Bordé, J. (1991). „Optická Ramseyova spektroskopie v rotujícím rámu: Sagnacův efekt v interferometru s vlnami hmoty“. Phys. Rev. Lett. 67 (2): 177–180. Bibcode:1991PhRvL..67..177R. doi:10.1103 / fyzrevlett.67.177. PMID  10044514.
  8. ^ Kasevich, M .; Chu, S. (1991). "Atomová interferometrie využívající stimulované Ramanovy přechody". Phys. Rev. Lett. 67 (2): 181–184. Bibcode:1991PhRvL..67..181K. doi:10.1103 / physrevlett.67.181. PMID  10044515.
  9. ^ Bongs, K .; Holynski, M .; Vovrosh, J .; Bouyer, P .; Condon, G .; Rasel, E .; Schubert, C .; Schleich, W.P .; Roura, A. (1991). „Přenášení atomových interferometrických kvantových senzorů z laboratoře do reálných aplikací“. Nat. Rev. Phys. 1 (12): 731–739. doi:10.1038 / s42254-019-0117-4.
  10. ^ Úmyslné inženýrství zemské atmosféry k vyrovnání rostoucích teplot by mohlo být mnohem proveditelnější, než si představujete, říká David Keith. Špatný odkaz!
  11. ^ Fang, Jiancheng; Qin, Jie (2012). „Pokroky v atomových gyroskopech: Pohled z aplikací inerciální navigace“. Senzory. 12 (5): 6331–6346. doi:10,3390 / s120506331. PMC  3386743. PMID  22778644.
  12. ^ Pokroky v atomových gyroskopech: Pohled z aplikací inerciální navigace. Úplné PDF
  13. ^ Cold Atom Gyros - IEEE Sensors 2013

externí odkazy