Et atomchip-interferometer, der kunne detektere kvantetyngdekraften

Fysikere i Israel har skabt et kvanteinterferometer på en atomchip. Denne enhed kan bruges til at udforske det grundlæggende i kvanteteorien ved at studere interferensmønstret mellem to atomstråler. University of Groningen fysiker, Anupam Mazumdar, beskriver, hvordan enheden kunne tilpasses til at bruge mesoskopiske partikler i stedet for atomer. Denne ændring ville give mulighed for udvidede applikationer. En beskrivelse af enheden, og teoretiske overvejelser vedrørende dets anvendelse af Mazumdar, blev offentliggjort den 28. maj i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Enheden, skabt af forskere fra Ben-Gurion University of the Negev, er et såkaldt Stern Gerlach interferometer, som først blev foreslået for 100 år siden af ​​de tyske fysikere Otto Stern og Walter Gerlach. Deres oprindelige mål med at skabe et interferometer med frit udbredende atomer udsat for gradienter fra makroskopiske magneter er ikke blevet praktisk taget realiseret indtil nu. "Sådanne eksperimenter er blevet udført ved hjælp af fotoner, men aldrig med atomer, " forklarer Anupam Mazumdar, Professor i teoretisk fysik ved universitetet i Groningen og en af ​​medforfatterne til artiklen i Videnskabens fremskridt .

De israelske videnskabsmænd, ledet af professor Ron Folman, skabte et interferometer på en atomchip, som kan begrænse og/eller manipulere atomer. En stråle af rubidium-atomer svæver over chippen ved hjælp af magneter. Magnetiske gradienter bruges til at opdele strålen i henhold til spinværdierne for de enkelte atomer. Spin er et magnetisk øjeblik, der kan have to værdier, enten op eller ned. Spin-up og spin-down atomerne er adskilt af en magnetisk gradient. Efterfølgende de to divergerende bjælker bringes sammen igen og kombineres igen. Spin-værdierne måles derefter, og der dannes et interferensmønster. Spin er et kvantefænomen, og i hele dette interferometer, de modstående spins er viklet ind. Dette gør interferometeret følsomt over for andre kvantefænomener.

Mazumdar var ikke involveret i konstruktionen af ​​chippen, men han bidrog med teoretiske indsigter til papiret. Sammen med en række af sine kolleger, han foreslog tidligere et eksperiment for at bestemme, om tyngdekraften i virkeligheden er et kvantefænomen ved hjælp af sammenfiltrede mesoskopiske objekter, nemlig bittesmå diamanter, der kan bringes i en tilstand af kvantesuperposition. "Det ville være muligt at bruge disse diamanter i stedet for rubidium-atomerne på dette interferometer, " forklarer han. Men denne proces ville være meget kompleks, som enheden, som i øjeblikket drives ved stuetemperatur, skulle køles ned til omkring 1 Kelvin til det mesoskopiske eksperiment.

Hvis dette indses, to af disse atomchips kunne frit falde sammen (for at neutralisere ekstern tyngdekraft), således at enhver interaktion, der forekommer mellem dem, vil afhænge af tyngdekraften mellem de to chips. Mazumdar og hans kolleger har til formål at afgøre, om kvantesammenfiltring af parret sker under frit fald, hvilket ville betyde, at tyngdekraften mellem diamanterne faktisk er et kvantefænomen. En anden anvendelse af dette eksperiment er påvisning af tyngdekraftsbølger; deres deformation af rum-tid skal være synlig i interferensmønsteret.

Den faktiske implementering af dette eksperiment er stadig langt væk, men Mazumdar er meget begejstret nu, hvor interferometeret er blevet oprettet. "Det er allerede [en] kvantesensor, selvom vi stadig skal finde ud af præcis, hvad den kan opdage. Eksperimentet er som de første trin af en baby - nu, vi er nødt til at guide det til at nå modenhed."