Атомная интерферометрия — это один из самых высокочувствительных методов, позволяющих измерить даже самые слабые силы, такие как силы гравитационного взаимодействия между атомами или инерционные силы, возникающие при ускорении и вращении. Этот метод используется как средство отслеживания текущего местоположения в условиях недоступности системы GPS, он обладает высокой чувствительностью по отношению к электрическим полям и используется для произведения самых высокоточных измерения фундаментальных электрических параметров химических элементов и элементарных частиц.
Самые высокочувствительные атомные интерферометры используют экзотическую форму материи, называемую конденсатом Бозе-Эйнштейна, который представляет собой облако переохлажденных атомов, которое с квантовой точки зрения ведет себя как один большой атом. Исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ, как сделать атомную интерферометрию еще более точной, устранив один из источников ошибок, который присутствуют во всех более ранних проектах.
Луч лазерного света создает в рабочем пространстве интерферометра стоячую волну, которая делит все облако конденсата Бозе-Эйнштейна на два облака приблизительно равных размеров. В экспериментальной установке Массачусетского технологического института облако из 20 тысяч атомов рубидия делится стоячей волной на десять групп приблизительно по 2 тысячи атомов, которые располагаются между двумя ближайшими «нулевыми» точками стоячей волны.
Однако, такой подход не лишен некоторых недостатков. При его помощи достаточно тяжело разделить все атомы на абсолютно равные группы. Одна из групп может содержать, скажем, 2050 атомов, а соседняя — 1950. Такое несоответствие является источником нестабильности системы, разности между энергией отдельных групп и, в результате всего этого, источником ошибки производимых измерений.
Для решение описанной выше проблемы ученые используют не одно, а два независимых облака конденсата Бозе-Эйнштейна в качестве отправной точки. Кроме этого, помимо использования ловушки из лазерного света, атомы конденсата подвергаются воздействию внешнего магнитного поля. Оба используемых облака конденсата Бозе-Эйнштейна состоят из атомов рубидия, но у каждого из них имеется собственный «спин», направление вращения, квантовая характеристика, определяющая их магнитную ориентацию. Стоячая волна лазерного света воздействует на обе группы атомов, а магнитное поле — только на одну, атомы которой имеют определенное направление вращения. Атомы другой группы, обладающие нулевым спином, перемещаются только под воздействием влияния стоячей волны света.
За счет относительного избытка атомов с ненулевым значением спина система обладает некоторым количеством избыточной энергии. И эта энергия расходуется на «переброску» некоторых атомов с нулевым спином в соседние ячейки оптической ловушки. В конце концов система сама приходит к стабильному состоянию, когда энергия атомов равномерно распределена между всеми ячейками оптической ловушки и в этих ячейках находится одно и тоже количество атомов.
Интерферометры нового типа, за счет своей высокой точности, могут помочь ученым разрешить некоторые из вопросов фундаментальной физики, имеющих отношение к промежуточному состоянию между квантовой природой материи, которая проявляется в самом маленьком масштабе, и законами ньютоновой физики, которые действуют на более масштабных уровнях.
Источник:
