Neues Atom-Interferometer könnte Trägheitskräfte mit Rekord-Einstellgenauigkeit messen

The Absurdity of Detecting Gravitational Waves (April 2019).

Anonim

Die Atominterferometrie ist die empfindlichste bekannte Technik zur Messung von Gravitationskräften und Trägheitskräften wie Beschleunigung und Rotation. Es ist eine Hauptstütze der wissenschaftlichen Forschung und wird als ein Mittel zur Ortungsverfolgung in Umgebungen kommerzialisiert, in denen GPS nicht verfügbar ist. Es ist auch extrem empfindlich gegenüber elektrischen Feldern und wurde verwendet, um winzige Messungen der grundlegenden elektrischen Eigenschaften der Elemente durchzuführen.

Die empfindlichsten Atominterferometer verwenden exotische Materiezustände, Bose-Einstein-Kondensate genannt. In der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters stellen MIT-Forscher eine Möglichkeit vor, die Atom-Interferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten noch präziser zu machen, indem eine Fehlerquelle beseitigt wird, die bei früheren Designs auftritt.

Interferometer, die das neue Design verwenden, könnten helfen, einige fundamentale Fragen in der Physik zu lösen, wie etwa die Natur der Zwischenzustände zwischen der Quantenbeschreibung der Materie, die in sehr kleinen Maßstäben vorherrscht, und der Newtonschen Beschreibung, von der das tägliche Engineering abhängt.

"Die Idee hier ist, dass Bose-Einstein-Kondensate eigentlich ziemlich groß sind", sagt William Burton, ein MIT-Doktorand in Physik und erster Autor auf dem Papier. "Wir wissen, dass sehr kleine Dinge Quanten wirken, aber dann wirken große Dinge wie du und ich nicht sehr quanten. Wir können also sehen, wie weit wir ein Quantensystem auseinander halten können und es kohärent wirken lassen, wenn wir es wieder zusammenbringen Es ist eine interessante Frage. "

Zu Burtons Kollegen wird sein Berater, der Physikprofessor Wolfgang Ketterle, der 2001 den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Arbeiten über Bose-Einstein-Kondensate erhielt, und vier weitere Mitglieder des MIT-Harvard-Zentrums für Ultrakalte Atome, die Ketterle leitet.

Kondensate aufschnitzen

Bose-Einstein-Kondensate sind Cluster von Atomen, die, wenn sie fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind, alle denselben Quantenzustand besitzen. Dies gibt ihnen eine Reihe von ungewöhnlichen Eigenschaften, darunter extreme Empfindlichkeit gegenüber Störungen durch äußere Kräfte.

Ein gängiger Ansatz zum Aufbau eines Bose-Einstein-Kondensat-Interferometers besteht darin, eine Atomwolke - das Kondensat - in einer Kammer aufzuhängen und dann einen Laserstrahl in sie einzukoppeln, um eine "stehende Welle" zu erzeugen. Wenn eine Welle als ein Kringel mit regelmäßigen Tälern und Kämmen betrachtet wird, dann wird eine stehende Welle erzeugt, wenn eine Welle genau mit ihrer Reflexion ausgerichtet ist. Die Nullpunkte - die Übergangspunkte zwischen Tal und Kamm - der Welle und ihre Reflexion sind identisch.

Die stehende Welle teilt das Kondensat in ungefähr gleich große Cluster von Atomen auf, von denen jedes sein eigenes Kondensat aufweist. Im MIT-Forscher-Experiment zum Beispiel teilt die stehende Welle etwa 20.000 Rubidiumatome in 10 Gruppen von etwa 2.000, die jeweils in einem "Well" zwischen zwei Nullpunkten der stehenden Welle schweben.

Wenn äußere Kräfte auf das Kondensat einwirken, verhindert die Laserfalle, dass sie sich bewegen. Aber wenn der Laser ausgeschaltet wird, dehnen sich die Kondensate aus und ihre Energie reflektiert die Kräfte, denen sie ausgesetzt waren. Das Leuchten eines Lichts durch die Atomwolke erzeugt ein Interferenzmuster, aus dem diese Energie und damit die Kraft, die die Kondensate erfahren, berechnet werden kann.

Diese Technik hat die genauesten Messungen von Gravitations- und Trägheitskräften ergeben, die aufgezeichnet wurden. Aber es hat ein Problem: Die Aufteilung des Kondensats in einzelne Cluster ist nicht vollkommen gleichmäßig. Ein Brunnen der stehenden Welle könnte etwa 1.950 Atome enthalten, und der nächste daneben 2.050. Dieses Ungleichgewicht führt zu Energieunterschieden zwischen den Bohrlöchern, die Fehler in die Endenergiemessung einführen, was ihre Genauigkeit begrenzt.

Balanceakt

Um dieses Problem zu lösen, verwenden Burton, Ketterle und ihre Kollegen nicht ein, sondern zwei Kondensate als Ausgangspunkt für ihr Interferometer. Sie fangen die Kondensate nicht nur mit einem Laser ein, sondern setzen sie auch einem Magnetfeld aus.

Beide Kondensate bestehen aus Rubidiumatomen, aber sie haben unterschiedliche "Spins", eine Quanteneigenschaft, die ihre magnetische Ausrichtung beschreibt. Die stehende Welle trennt beide Atomgruppen, aber nur eine von ihnen - die Spin-Down-Atome - fühlt das Magnetfeld. Das bedeutet, dass die Atome in der anderen Gruppe - die Spin-up-Atome - sich frei von der Well-to-Well der stehenden Welle bewegen können.

Da ein relativ großer Überschuss an Spin-down-Atomen in einem Well einen leichten Energieschub bewirkt, werden einige seiner Spin-up-Atome in die benachbarten Wells geschleudert. Die Spin-up-Atome mischen sich um die stehende Welle herum, bis jede Vertiefung genau die gleiche Anzahl von Atomen hat. Am Ende des Prozesses, wenn die Energien der Atome ausgelesen werden, korrigieren die Spin-up-Atome das Ungleichgewicht zwischen Spin-Down-Atomen.

Bose-Einstein-Kondensate sind interessant, weil sie relativ große Quanteneffekte aufweisen, und Quantenbeschreibungen physikalischer Systeme spiegeln im Allgemeinen die Wellen-Teilchen-Dualität wider - die Tatsache, dass die Materie bei kleinen Maßstäben sowohl für Teilchen als auch für Wellen charakteristische Verhaltensweisen aufweist. Die Kondensate in den Experimenten der MIT-Forscher können daher als Wellen mit ihren eigenen Wellenlängen, Amplituden und Phasen betrachtet werden.

Um die Atominterferometrie durchzuführen, müssen die vom Laser eingefangenen Atomcluster alle in Phase sein, was bedeutet, dass die Wellentäler und -kämme ihrer Wellen ausgerichtet sind. Die Forscher zeigten, dass ihre "Abschirm" -Methode die Kondensate viel länger in Phase hält als bisher möglich, was die Genauigkeit der Atominterferometrie verbessern sollte.

"Eine der großen Erwartungen für Bose-Einstein-Kondensate (BECs), die im Nobel-Zitat hervorgehoben wurde, war, dass sie zu Anwendungen führen würden", sagt Dominik Schneble, ao Professor für Physik an der Stony Brook University. "Und eine dieser Anwendungen ist die Atominterferometrie."

"Aber Interaktionen zwischen BECs führen grundsätzlich zu einer Entkopplung, die nicht sehr gut kontrolliert werden kann", sagt Schneble. "Ein Ansatz war, die Interaktionen abzuschalten. Bei bestimmten Elementen kann man das sehr gut. Aber es ist keine universelle Eigenschaft. Was sie in diesem Papier tun, ist, dass sie sagen: 'Wir akzeptieren die Tatsache, dass die Interaktionen.' sind da, aber wir nutzen Interaktionen, damit es nicht nur kein Problem ist, sondern auch andere Probleme löst. ' Es ist sehr elegant und sehr clever. Es passt der Situation wie ein natürlicher Handschuh. "

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