原子干渉計

原子干渉計は干渉計の一種で、原子の波動特性を利用して干渉を起こすものである。原子干渉計では、物質と光の役割はレーザー干渉計とは逆になっている。つまり、ビームスプリッターとミラーはレーザーであるのに対し、光源は光ではなく物質波（原子）を放射する。この意味で、原子干渉計は、光によく使われる二重スリット干渉計、マイケルソン・モーリー干渉計、マッハ・ツェンダー干渉計の物質波版である。 [ 1 ]原子干渉計は、異なる経路を通る原子物質波が得る位相の差を測定する。物質波はレーザーシステムを使って制御・操作できる。[ 2 ] : 420–1 原子干渉計は、重力定数、微細構造定数、自由落下の普遍性の測定など、基礎物理学 のテストに使われてきた。原子干渉計の応用例としては、加速度計、回転センサー、重力勾配計などが挙げられる。[ 3 ]

概要

干渉計は、波を2つの異なる経路に沿って重ね合わせます。空間依存のポテンシャルまたは局所的な相互作用によって経路が区別され、波間に位相差が生じます。原子干渉計は、短いド・ブロイ波長を持つ質量中心物質波を使用します。[ 4 ] [ 5 ]分子 を用いた実験は、分子の短いド・ブロイ波長を利用して量子力学の限界を探るために提案されています。[ 6 ]

歴史

原子物質波の干渉は、1930年にイマヌエル・エステルマンとオットー・シュテルンによって初めて観測され、このときナトリウム（Na）ビームは塩化ナトリウム（NaCl）の表面で回折された。[ 7 ] 報告された最初の近代的な原子干渉計は、1991年にO・カーナルとユルゲン・ムリネックによる準安定ヘリウム原子と微細加工された二重スリットを用いた二重スリット実験であり、 [ 8 ]マサチューセッツ工科大学（MIT）のデイビッド・E・プリチャードのグループによる3つの微細加工回折格子とNa原子を使用した干渉計であった。[ 9 ]その後まもなく、原子時計で一般的に使用されるラムゼー分光計の光学バージョンが、ドイツのブラウンシュヴァイクにある物理工学連邦研究所（PTB）で原子干渉計としても認識された。[ 10 ]原子の部分波束間の最大の物理的分離は、スタンフォード大学のスティーブン・チューと彼の同僚によってレーザー冷却技術と誘導ラマン遷移を使用して達成されました。[ 11 ]

1999年にウィーン大学の研究者らによるC60フラーレンの回折が報告された。[ 12 ]フラーレンは比較的大きく質量の大きい物体であり、原子量は約720  Da。入射光の ド・ブロイ波長は約2.5 pmであるのに対し、分子の直径は約1  nmで、約400倍大きい。2012年には、これらの遠距離場回折実験を、それぞれ58個と114個の原子からなるフタロシアニン分子とそのより重い誘導体にまで拡張することができた。これらの実験では、このような干渉縞の形成をリアルタイムで、単一分子感度で記録することができた。[ 13 ]

2003年に、ウィーンのグループは、約2nmの広がりと614Daの質量を持つ平坦なバイオ染料であるテトラフェニルポルフィリンの波動性も実証しました[ 14 ] 。この実証のために、彼らは近接場タルボ・ラウ干渉計を使用しました。 [ 15 ] [ 16 ]同じ干渉計で、彼らはまた、108個の原子で構成され、質量が約1600Daのフッ素化バッキーボールであるC 60 F 48の干渉縞を発見しました。 [ 14 ]大きな分子はすでに非常に複雑なため、量子-古典インターフェースのいくつかの側面、つまり特定のデコヒーレンスメカニズムに実験的にアクセスすることができます。[ 17 ] [ 18 ] 2011年には、6910Daという重い分子の干渉がカピツァ・ディラック・タルボ・ラウ干渉計で実証されました。[ 19 ] 2013年には10,000 Daを超える分子の干渉が実証されました。[ 20 ]

2008年にAlexander D. Cronin、Jörg Schmiedmayer、David E. Pritchardが発表した包括的なレビューでは、原子干渉計に関する多くの新しい実験的アプローチが文書化されています。[ 21 ] 最近では、原子干渉計は実験室環境から脱却し、現実世界の環境での様々な応用に取り組み始めています。[ 22 ] [ 23 ]

干渉計の種類

コンパクトな磁気光トラップ。原子干渉計を生成するための第一歩です。

原子を使用すると光よりも高い周波数（したがって精度）に簡単にアクセスできますが、原子は質量を持ち、動きが遅いため、光線に比べて重力の影響をより顕著に受けます。 [ 24 ]一部の装置では、原子は上方に放出され、干渉測定は原子が飛行中または自由飛行で落下している間に行われます。[ 25 ]他の実験では、自由加速による重力の影響は打ち消されず、追加の力が重力を補正するために使用されます。[ 26 ] [ 27 ]これらの誘導システムは、量子コヒーレンスが維持される限り、原理的には任意の測定時間を提供できます。

初期の原子干渉計では、ビームスプリッターとミラーとしてスリットやワイヤーが使用されていました。その後のシステム、特に誘導型システムでは、物質波の分割と反射に光の力を利用しました。[ 28 ]

光パルス原子干渉計

原子干渉計の典型的な手法は、光パルスを用いて原子物質波を分割、反射、再結合させるものである。この手法は、1991年の論文の著者にちなんで、カセビッチ・チュー原子干渉計とも呼ばれる。[ 29 ]この手法では、2つの量子状態（と ）間の遷移を生成する、互いに反対方向に伝播する光ビームを用いる。[ 30 ]両方のレーザーは、原子の共鳴励起と加熱を避けるため、励起状態から周波数Δだけ共鳴外に調整されている。 |0⟩{\displaystyle |0\rangle }|1⟩{\displaystyle |1\rangle }

原子のスピン状態を変化させることに加えて、逆伝播ラマン遷移は成分の1つに運動量キックを与えます。 [ 30 ]スピン-運動量基底では、原子と相互作用するラマン光パルスはとの間を遷移します。パルス光（ラムゼー干渉計を参照）を に照射すると、エンタングルメント状態 が生成されます。 ℏk→eff=ℏ(k→2−k→1){\displaystyle \hbar {\vec {k}}_{eff}=\hbar ({\vec {k}}_{2}-{\vec {k}}_{1})}|0,0⟩{\displaystyle |0,0\rangle }|1,ℏk→eff⟩{\displaystyle |1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle }π/2{\displaystyle \pi /2}ψ0=|0,0⟩{\displaystyle \psi _{0}=|0,0\rangle }ψ1=12(|0,0⟩+|1,ℏk→eff⟩){\displaystyle \psi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|0,0\rangle +|1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle \right)}

干渉計は、共通の非相互作用時間 で区切られた – 構成の 3 つのラマンパルスによって構成されます。この方式は光のマッハ・ツェンダー干渉計に類似しており、最初のパルスが物質波を 2 つの異なる軌道に沿って移動するように分割し、2 番目のパルスがパケットを互いに向かって反射し、最後のパルスが物質波を再結合します。干渉計シーケンス後の物質波の測定状態は、2 つの異なる軌道に沿って累積された合計位相差に依存し、いずれかの状態になる最終的な確率は[ 31 ]となります。ここでは干渉計の縞の可視性またはコントラストです。物質波は重力に対して自由落下しているため、位相差は重力加速度に依存します[ 30 ]は光パルス間で生じるラマンレーザービームの追加の位相差です。[ 32 ]π/2{\displaystyle \pi /2}π{\displaystyle \pi }π/2{\displaystyle \pi /2}T{\displaystyle T}Δφ{\displaystyle \Delta \varphi }P=12(1−Ccos⁡(Δφ)),{\displaystyle P={\frac {1}{2}}\left(1-C\cos(\Delta \varphi )\right),}C{\displaystyle C}g{\displaystyle g}Δφ=k→eff⋅g→ T2+ΔϕL,{\displaystyle \Delta \varphi ={\vec {k}}_{eff}\cdot {\vec {g}}~T^{2}+\Delta \phi _{L},}ΔϕL{\displaystyle \Delta \phi _{L}}

干渉計の重力または慣性力に対する感度は、次の要素に依存します。

  • 干渉計によって囲まれた空間-時間領域は、より大きいほど増加する。[ 33 ]T{\displaystyle T}
  • 反対方向に伝播するラマンビームの相対的な位相安定性。
  • 干渉計を構成する、冷却トラップされた原子集団内の原子数。干渉計に関与する原子の割合が大きいほど、干渉計の性能は向上します。ドップラー効果により、有限温度の原子は、ラマンパルスを正確に、あるいはラマンパルスとして観測しない場合があります。C{\displaystyle C}π/2{\displaystyle \pi /2}π{\displaystyle \pi }

例

グループ 年 原子種 方法 測定された効果
プリチャード1991 ナ、ナ2ナノ加工格子分極率、屈折率
クラウザー 1994 Kタルボット・ラウ干渉計
ツァイリンガー 1995 アル定在光波回折格子
ヘルムケ・ボルデ 1991 ラムジー・ボルデ分極率、アハラノフ・ボーム効果：exp/theo 、サニャック効果0.3 rad/s/ Hz 0.99±0.022{\displaystyle 0.99\pm 0.022}√{\displaystyle \surd }
チュー 1991 1998 ナ

Cs

カセビッチ・チュー干渉計光パルス ラマン回折 重力計：微細構造定数：3⋅10−10{\displaystyle 3\cdot 10^{-10}}α±1.5⋅10−9{\displaystyle \alpha \pm 1.5\cdot 10^{-9}}
カセビッチ 1997 1998 Cs 光パルスラマン回折 ジャイロスコープ: rad/s/ Hz、グラディオメーター: 2⋅10−8{\displaystyle 2\cdot 10^{-8}}√{\displaystyle \surd }
バーマン タルボット・ラウ
ミュラー 2018 Cs ラムゼー・ボルデ干渉計 微細構造定数：α±2⋅10−10{\displaystyle \alpha \pm 2\cdot 10^{-10}}

アプリケーション

重力物理学

2009年にホルガー・ミュラー、アヒム・ピーターズ、スティーブン・チューによって重力赤方偏移の精密測定が行われた。一般相対性理論の破れは発見されなかった。7 × 10 −9 . [ 34 ]

2020年、ピーター・アセンバウム、クリス・オーバーストリート、ミンジョン・キム、ジョセフ・カーティ、マーク・A・カセビッチは原子干渉計を用いて一般相対性理論における等価原理を検証した。彼らは約10 −12 . [ 35 ] [ 36 ]

原子干渉計の外部影響に対する感度は、一般的に物質波の分離時間が長くなるにつれて向上します。[ 34 ]そのため、高感度自由落下干渉計には長い落下距離が必要です。例えば、フェルミ国立加速器研究所のMAGIS-100実験では、100メートルの落下塔が使用され、重力波と超軽量暗黒物質の検出を目指しています。 [ 37 ]超軽量暗黒物質は、通常の物質とは重力を介してのみ相互作用することが知られています。

宇宙に設置された原子干渉計は、LIGOなどの地上の観測所よりも弱い重力波に対してより敏感である可能性がある。[ 38 ]

慣性航法

原子干渉計ジャイロスコープ（AIG）と原子スピンジャイロスコープ（ASG）は、原子干渉計を使用して回転を感知するか、または後者の場合は原子スピンを使用して回転を感知します。どちらも小型で高精度であり、チップスケールで製造できる可能性があります。[ 39 ] [ 40 ]

参照

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