Nyt atominterferometer kunne måle træghedskræfter med rekordnøjagtighed

Atominterferometri er den mest følsomme kendte teknik til måling af tyngdekræfter og inertialkræfter såsom acceleration og rotation. Det er en grundpille i videnskabelig forskning og kommercialiseres som et middel til sporing af lokationer i miljøer, hvor GPS ikke er tilgængelig. Det er også ekstremt følsomt over for elektriske felter og er blevet brugt til at foretage minutmålinger af elementers grundlæggende elektriske egenskaber.

De mest følsomme atominterferometre anvender eksotiske tilstander kaldet Bose-Einstein-kondensater. I det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve , MIT-forskere præsenterer en måde at gøre atominterferometri med Bose-Einstein-kondensater endnu mere præcis, ved at fjerne en fejlkilde, der er endemisk for tidligere designs.

Interferometre, der bruger det nye design, kan hjælpe med at løse nogle grundlæggende spørgsmål inden for fysik, såsom mellemstaternes art mellem kvantebeskrivelsen af ​​stof, der hersker i meget små skalaer, og den newtonske beskrivelse, som hverdagsteknik afhænger af.

"Ideen her er, at Bose-Einstein-kondensater faktisk er ret store, "siger William Burton, en MIT kandidatstuderende i fysik og første forfatter på papiret. "Vi ved, at meget små ting virker kvante, men så handler store ting som dig og mig ikke særlig kvantum. Så vi kan se, hvor langt fra hinanden vi kan strække et kvantesystem og stadig få det til at fungere sammenhængende, når vi bringer det sammen igen. Det er et interessant spørgsmål. "

Sammen med Burton på papiret er hans rådgiver, professor i fysik Wolfgang Ketterle, som vandt Nobelprisen i fysik i 2001 for sit banebrydende arbejde med Bose-Einstein-kondensater, og fire andre medlemmer af MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, som Ketterle instruerer.

Opskæring af kondensater

Bose-Einstein-kondensater er klynger af atomer, der, når den afkøles næsten til absolut nul, alle beboer nøjagtig den samme kvantetilstand. Dette giver dem en række usædvanlige egenskaber, blandt dem ekstrem følsomhed over for forstyrrelser fra eksterne kræfter.

En almindelig tilgang til at bygge et Bose-Einstein kondensatinterferometer indebærer at suspendere en sky af atomer-kondensatet-i et kammer og derefter affyre en laserstråle ind i det for at producere en "stående bølge". Hvis en bølge betragtes som en krøl med regelmæssige trug og kamme, så frembringes en stående bølge, når en bølge er nøjagtigt på linje med dens refleksion. Bølgens nulpunkter - overgangspunkterne mellem trug og kam - og dens refleksion er identiske.

Den stående bølge deler kondensatet i omtrent lige store klynger af atomer, hver sit kondensat. I MIT -forskernes eksperiment, for eksempel, den stående bølge deler sig omkring 20, 000 rubidiumatomer i 10 grupper på ca. 2, 000, hver suspenderet i en "brønd" mellem to nulpunkter i den stående bølge.

Når ydre kræfter virker på kondensatet, laserfælden forhindrer dem i at bevæge sig. Men når laseren er slukket, kondensaterne ekspanderer, og deres energi afspejler de kræfter, de blev udsat for. At skinne et lys gennem atomskyen producerer et interferensmønster, hvorfra den energi, og dermed den kraft kondensaterne oplevede, kan beregnes.

Denne teknik har givet de mest nøjagtige målinger af gravitations- og inertialkræfter på rekord. Men det har et problem:Opdelingen af ​​kondensatet i separate klynger er ikke helt jævn. En brønd i den stående bølge kan indeholde, sige, 1, 950 atomer, og den ved siden af ​​den 2, 050. Denne ubalance giver forskelle i energi mellem brønde, der indfører fejl i den endelige energimåling, begrænser dens præcision.

Balancegang

For at løse dette problem, Burton, Ketterle, og deres kolleger bruger ikke ét, men to kondensater som udgangspunkt for deres interferometer. Ud over at fange kondensaterne med en laser, de udsætter dem også for et magnetfelt.

Begge kondensater består af rubidiumatomer, men de har forskellige "spins, "en kvanteegenskab, der beskriver deres magnetiske justering. Den stående bølge adskiller begge grupper af atomer, men kun et af dem-de nedadgående atomer-mærker magnetfeltet. Det betyder, at atomerne i den anden gruppe-spin-up-atomerne-frit kan bevæge sig fra brønd til brønd i den stående bølge.

Da et relativt overskud af spin-down-atomer i en brønd giver det et lille boost i energi, det vil banke nogle af dets spin-up-atomer ned i de nærliggende brønde. Spin-up-atomerne blander sig rundt om den stående bølge, indtil hver brønd har det nøjagtig samme antal atomer. I slutningen af ​​processen, når atomernes energier læses op, spin-up-atomerne korrigerer ubalancerne mellem spin-down-atomer.

Bose-Einstein-kondensater er interessante, fordi de udviser relativt store kvanteeffekter, og kvantebeskrivelser af fysiske systemer afspejler generelt bølge-partikel dualitet-det faktum, at, i små nok skalaer, stof vil udvise adfærd, der er karakteristisk for både partikler og bølger. Kondensaterne i MIT -forskernes eksperimenter kan således betragtes som bølger, med deres egne bølgelængder, amplituder, og faser.

At lave atominterferometri, klyngerne af atomer fanget af laseren skal alle være i fase, hvilket betyder, at trugene og toppen af ​​deres bølger er på linje. Forskerne viste, at deres "afskærmning" -metode holdt kondensaterne i fase meget længere end tidligere var muligt, hvilket skulle forbedre nøjagtigheden af ​​atominterferometri.

"En af de store forventninger til Bose-Einstein kondenserer [BEC'er], som blev fremhævet i Nobel -citatet, var, at de ville føre til ansøgninger, "siger Dominik Schneble, lektor i fysik ved Stony Brook University. "Og en af ​​disse applikationer er atominterferometri."

"Men interaktioner mellem BEC'er giver i bund og grund anledning til nedfasning, som ikke kan være særlig velkontrolleret, "Schneble siger." En tilgang har været at slå interaktionerne fra. I visse elementer, man kan gøre dette meget godt. Men det er ikke en universel ejendom. Hvad de gør i dette papir, siger de, 'Vi accepterer, at interaktionerne er der, men vi bruger interaktioner sådan, at det ikke kun er et problem, men også løser andre problemer. ' Det er meget elegant og meget smart. Det passer til situationen som en naturlig handske. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.