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interferómetro atómico

Un interferómetro atómico es un tipo de interferómetro que utiliza la naturaleza ondulatoria de los átomos para producir interferencia. En los interferómetros atómicos, los role...

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Un interferómetro atómico es un tipo de interferómetro que utiliza la naturaleza ondulatoria de los átomos para producir interferencia. En los interferómetros atómicos, los roles de la materia y la luz se invierten en comparación con los interferómetros basados ​​en láser , es decir, el divisor de haz y los espejos son láseres mientras que la fuente emite ondas de materia (los átomos) en lugar de luz. En este sentido, los interferómetros atómicos son el análogo de ondas de materia de los interferómetros de doble rendija , Michelson-Morley o Mach-Zehnder que se utilizan típicamente para la luz. [ 1 ] Los interferómetros atómicos miden la diferencia de fase adquirida por las ondas de materia atómica que recorren diferentes caminos. Las ondas de materia pueden controlarse y manipularse utilizando sistemas de láseres. [ 2 ] : 420–1 Los interferómetros atómicos se han utilizado en pruebas de física fundamental , incluidas mediciones de la constante gravitacional , la constante de estructura fina y la universalidad de la caída libre . Entre las aplicaciones de los interferómetros atómicos se incluyen los acelerómetros, los sensores de rotación y los gradiómetros de gravedad . [ 3 ]

Descripción general

La interferometría divide una onda en una superposición a lo largo de dos trayectorias diferentes. Un potencial dependiente espacialmente o una interacción local diferencia las trayectorias, introduciendo una diferencia de fase entre las ondas. Los interferómetros atómicos utilizan ondas de materia del centro de masa con una longitud de onda de De Broglie corta . [ 4 ] [ 5 ] Se han propuesto experimentos con moléculas para buscar los límites de la mecánica cuántica aprovechando las longitudes de onda de De Broglie más cortas de las moléculas. [ 6 ]

Historia

La interferencia de ondas de materia atómica fue observada por primera vez por Immanuel Estermann y Otto Stern en 1930, cuando un haz de sodio (Na) fue difractado por una superficie de cloruro de sodio (NaCl). [ 7 ] El primer interferómetro atómico moderno reportado fue un experimento de doble rendija con átomos de helio metaestables y una doble rendija microfabricada por O. Carnal y Jürgen Mlynek en 1991, [ 8 ] y un interferómetro que utilizaba tres rejillas de difracción microfabricadas y átomos de Na en el grupo de David E. Pritchard en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). [ 9 ] Poco después, una versión óptica de un espectrómetro Ramsey típicamente utilizado en relojes atómicos fue reconocida también como un interferómetro atómico en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, Alemania. [ 10 ] La mayor separación física entre los paquetes de ondas parciales de átomos se logró utilizando técnicas de enfriamiento láser y transiciones Raman estimuladas por Steven Chu y sus colaboradores en la Universidad de Stanford . [ 11 ]

En 1999, investigadores de la Universidad de Viena informaron sobre la difracción de fullerenos C60 . [ 12 ] Los fullerenos son objetos relativamente grandes y masivos, con una masa atómica de aproximadamente720 Da  . La longitud de onda de De Broglie del haz incidente era de aproximadamente 2,5 pm , mientras que el diámetro de la molécula es de aproximadamente 1 nm , unas 400 veces mayor. En 2012, estos experimentos de difracción de campo lejano pudieron extenderse a moléculas de ftalocianina y sus derivados más pesados, que están compuestos por 58 y 114 átomos respectivamente. En estos experimentos, la acumulación de dichos patrones de interferencia pudo registrarse en tiempo real y con sensibilidad de molécula individual. [ 13 ]  

En 2003, el grupo de Viena también demostró la naturaleza ondulatoria de la tetrafenilporfirina [ 14 ] , un biocolorante plano con una extensión de aproximadamente 2  nm y una masa de 614  Da. Para esta demostración emplearon un interferómetro de Talbot-Lau de campo cercano. [ 15 ] [ 16 ] En el mismo interferómetro también encontraron franjas de interferencia para C 60 F 48 , un buckyball fluorado con una masa de aproximadamente 1600  Da, compuesto por 108 átomos. [ 14 ] Las moléculas grandes son ya tan complejas que dan acceso experimental a algunos aspectos de la interfaz cuántico-clásica, es decir, a ciertos mecanismos de decoherencia . [ 17 ] [ 18 ] En 2011, la interferencia de moléculas tan pesadas como 6910  Da pudo demostrarse en un interferómetro de Kapitza-Dirac-Talbot-Lau. [ 19 ] En 2013,  se demostró la interferencia de moléculas de más de 10 000 Da. [ 20 ]

La revisión exhaustiva de 2008 realizada por Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer y David E. Pritchard documenta muchos enfoques experimentales nuevos para la interferometría atómica. [ 21 ] Más recientemente, los interferómetros atómicos han comenzado a salir de las condiciones de laboratorio y han empezado a abordar una variedad de aplicaciones en entornos del mundo real. [ 22 ] [ 23 ]

Tipos de interferómetros

Una trampa magnetoóptica compacta , el primer paso para generar un interferómetro atómico.

Si bien el uso de átomos ofrece un fácil acceso a frecuencias más altas (y por lo tanto, mayor precisión) que la luz , los átomos poseen masa y se mueven más lentamente; por lo tanto, se ven afectados de manera más notable por la gravedad en comparación con los haces de luz. [ 24 ] En algunos aparatos, los átomos se eyectan hacia arriba y la interferometría se lleva a cabo mientras los átomos están en vuelo o mientras caen en vuelo libre. [ 25 ] En otros experimentos, los efectos gravitacionales por aceleración libre no se anulan; se utilizan fuerzas adicionales para compensar la gravedad. [ 26 ] [ 27 ] Estos sistemas guiados en principio pueden proporcionar cantidades arbitrarias de tiempo de medición, siempre que se preserve la coherencia cuántica .

Los primeros interferómetros atómicos empleaban rendijas o cables para los divisores de haz y los espejos. Los sistemas posteriores, especialmente los guiados, utilizaban fuerzas de la luz para dividir y reflejar la onda de materia. [ 28 ]

interferómetro atómico de pulsos de luz

Una técnica prototípica para la interferometría atómica implica dividir, reflejar y recombinar ondas de materia atómica utilizando pulsos de luz. Esta técnica también se llama interferómetro atómico de Kasevich-Chu, en honor a los autores del artículo de 1991. [ 29 ] Este método emplea haces de luz que se propagan en direcciones opuestas y que producen transiciones entre dos estados cuánticos etiquetados como|0⟩{\displaystyle |0\rangle }y|1⟩{\displaystyle |1\rangle }. [ 30 ] Ambos láseres están sintonizados fuera de resonancia del estado excitado por una frecuencia Δ para evitar la excitación resonante y el calentamiento de los átomos.

Además de cambiar el estado de espín del átomo, la transición Raman contrapropagada proporciona un impulso de momento.ℏk→miFF=ℏ(k→2−k→1){\displaystyle \hbar {\vec {k}}_{eff}=\hbar ({\vec {k}}_{2}-{\vec {k}}_{1})}a uno de los componentes. [ 30 ] En una base de espín-momento, un pulso de luz Raman que interactúa con un átomo hará una transición entre|0,0⟩{\displaystyle |0,0\rangle }y|1,ℏk→miFF⟩{\displaystyle |1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle }. Aplicar unπ/2{\displaystyle \pi /2}pulso (ver interferómetro de Ramsey ) luz aψ0=|0,0⟩{\displaystyle \psi _{0}=|0,0\rangle }produce el estado entrelazadoψ1=12(|0,0⟩+|1,ℏk→miFF⟩){\displaystyle \psi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|0,0\rangle +|1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle \right)}.

El interferómetro se forma mediante tres pulsos Raman en unπ/2{\displaystyle \pi /2}–π{\displaystyle \pi }–π/2{\displaystyle \pi /2}configuración separada por un tiempo común de no interacciónT{\displaystyle T}Este esquema es análogo a un interferómetro de Mach-Zehnder para la luz, donde el primer pulso divide la onda de materia para que viaje a lo largo de dos trayectorias diferentes, el segundo pulso refleja los paquetes entre sí y el pulso final recombina la onda de materia. El estado medido de la onda de materia después de la secuencia del interferómetro depende de la diferencia de fase total.Δφ{\displaystyle \Delta \varphi}acumulado a lo largo de las dos trayectorias diferentes, lo que produce una probabilidad final de estar en uno de los estados como [ 31 ].PAG=12(1−doporque⁡(Δφ)),{\displaystyle P={\frac {1}{2}}\left(1-C\cos(\Delta \varphi )\right),}dóndedo{\displaystyle C}es la visibilidad o el contraste de la franja del interferómetro . Dado que la onda de materia está en caída libre con respecto a la gravedad, la diferencia de fase depende de la aceleración gravitatoria.gramo{\displaystyle g}como [ 30 ]Δφ=k→miFF⋅gramo→ T2+ΔϕL,{\displaystyle \Delta \varphi ={\vec {k}}_{eff}\cdot {\vec {g}}~T^{2}+\Delta \phi _{L},}dóndeΔϕL{\displaystyle \Delta \phi _{L}}es cualquier diferencia de fase adicional del haz láser Raman que surge entre los pulsos de luz. [ 32 ]

La sensibilidad del interferómetro a las fuerzas gravitacionales o inerciales depende de:

  • El área espacio-temporal encerrada por el interferómetro, que aumenta para valores mayoresT{\displaystyle T}. [ 33 ]
  • La estabilidad de fase relativa de los haces Raman que se propagan en direcciones opuestas.
  • El número de átomos en el conjunto frío y atrapado que completan el interferómetro. Una mayor fracción de átomos participantes aumentado{\displaystyle C}Debido al efecto Doppler , los átomos con temperatura finita pueden no experimentar exactamenteπ/2{\displaystyle \pi /2}oπ{\displaystyle \pi }Pulsos Raman.

Ejemplos

Aplicaciones

Física gravitacional

En 2009, Holger Muller, Achim Peters y Steven Chu realizaron una medición precisa del desplazamiento al rojo gravitacional . No se encontraron violaciones de la relatividad general.7 × 10 −9 . [ 34 ]

En 2020, Peter Asenbaum, Chris Overstreet, Minjeong Kim, Joseph Curti y Mark A. Kasevich utilizaron interferometría atómica para probar el principio de equivalencia en la relatividad general. No encontraron violaciones a aproximadamente10 −12 . [ 35 ] [ 36 ]

La sensibilidad de un interferómetro atómico a las influencias externas generalmente mejora a medida que aumenta el tiempo de separación de la onda de materia. [ 34 ] Por lo tanto, los interferómetros de caída libre de alta sensibilidad requieren grandes distancias de caída. Por ejemplo, el experimento MAGIS-100 en Fermilab emplea una torre de caída de 100 metros, con el objetivo de detectar ondas gravitacionales y materia oscura ultraligera , [ 37 ] que se sabe que interactúa con la materia ordinaria solo a través de la gravedad.

Los interferómetros atómicos espaciales pueden ser más sensibles a las ondas gravitacionales débiles que los observatorios terrestres como LIGO . [ 38 ]

Navegación inercial

Los giroscopios de interferómetro atómico (AIG) y los giroscopios de espín atómico (ASG) utilizan un interferómetro atómico para detectar la rotación o, en el segundo caso, utilizan el espín atómico para detectar la rotación; ambos presentan un tamaño compacto, alta precisión y la posibilidad de ser fabricados a escala de chip. [ 39 ] [ 40 ]

Véase también

Referencias

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