Interferómetro atómico

Un interferómetro atómico utiliza la naturaleza ondulatoria de los átomos para producir interferencias. En los interferómetros atómicos, los roles de la materia y la luz se invierten en comparación con los interferómetros basados ​​en láser , es decir, el divisor de haz y los espejos son láseres mientras que la fuente emite ondas de materia (los átomos) en lugar de luz. Los interferómetros atómicos miden la diferencia de fase entre las ondas de materia atómica a lo largo de diferentes caminos. Las ondas de materia se controlan y manipulan utilizando sistemas de láseres. ^{[1] : 420–1} Los interferómetros atómicos se han utilizado en pruebas de física fundamental, incluidas las mediciones de la constante gravitacional , la constante de estructura fina y la universalidad de la caída libre. Los usos aplicados de los interferómetros atómicos incluyen acelerómetros, sensores de rotación y gradiómetros de gravedad. ^[2]

La interferometría divide una onda en una superposición a lo largo de dos trayectorias diferentes. Un potencial dependiente del espacio o una interacción local diferencia las trayectorias, introduciendo una diferencia de fase entre las ondas. Los interferómetros atómicos utilizan ondas de materia del centro de masa con una longitud de onda de De Broglie corta . ^{[3] [4]} Se han propuesto experimentos con moléculas para buscar los límites de la mecánica cuántica aprovechando las longitudes de onda de De Broglie más cortas de las moléculas. ^[5]

Aunque el uso de átomos ofrece un acceso fácil a frecuencias más altas (y, por lo tanto, a precisiones) que la luz , los átomos se ven afectados mucho más fuertemente por la gravedad . En algunos aparatos, los átomos son expulsados ​​hacia arriba y la interferometría tiene lugar mientras los átomos están en vuelo, o mientras caen en vuelo libre. En otros experimentos, los efectos gravitacionales por aceleración libre no se niegan; se utilizan fuerzas adicionales para compensar la gravedad. Si bien estos sistemas guiados en principio pueden proporcionar cantidades arbitrarias de tiempo de medición, su coherencia cuántica aún está en discusión. Estudios teóricos recientes indican que la coherencia se conserva de hecho en los sistemas guiados, pero esto aún debe confirmarse experimentalmente.

Los primeros interferómetros atómicos utilizaban ranuras o cables para los divisores de haz y espejos. Los sistemas posteriores, especialmente los guiados, utilizaban fuerzas de luz para dividir y reflejar la onda de materia. ^[6]

Grupo	Año	Especies atómicas	Método	Efecto(s) medido(s)
Pritchard	1991	No , no 2	Rejillas fabricadas a nanoescala	Polarizabilidad, índice de refracción
Clausura	1994	K	Interferómetro Talbot-Lau
Zeilinger	1995	Arkansas	Rejillas de difracción de ondas de luz estacionarias
Helmke Bordé	1991		Ramsey–Bordé	Polarizabilidad, efecto Aharonov–Bohm : exp/theo , efecto Sagnac 0,3 rad/s/ Hz${\estilo de visualización 0,99\pm 0,022}$ ${\displaystyle \surdo}$
Chu	1991 1998	N / A Cs	Interferómetro de Kasevich-Chu Pulsos de luz Difracción Raman	Gravímetro : Constante de estructura fina :${\displaystyle 3\cdot 10^{-10}}$ ${\displaystyle \alpha \pm 1.5\cdot 10^{-9}}$
Kasevich	1997 1998	Cs	Difracción Raman de pulsos de luz	Giroscopio: rad/s/ Hz, Gradiómetro :${\displaystyle 2\cdot 10^{-8}}$${\displaystyle \surd }$
Berman			Talbot-Lau
Mueller	2018	Cs	Interferómetro de Ramsey-Bordé	Constante de estructura fina :${\displaystyle \alpha \pm 2\cdot 10^{-10}}$

La interferencia de ondas de materia atómica fue observada por primera vez por Immanuel Estermann y Otto Stern en 1930, cuando un haz de sodio (Na) se difractó en una superficie de cloruro de sodio (NaCl). ^[7] El primer interferómetro atómico moderno reportado fue un experimento de doble rendija con átomos de helio metaestables y una doble rendija microfabricada por O. Carnal y Jürgen Mlynek en 1991, ^[8] y un interferómetro que usaba tres rejillas de difracción microfabricadas y átomos de Na en el grupo alrededor de David E. Pritchard en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). ^[9] Poco después, una versión óptica de un espectrómetro de Ramsey típicamente usado en relojes atómicos fue reconocida también como un interferómetro atómico en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, Alemania. ^[10] La mayor separación física entre los paquetes de ondas parciales de los átomos se logró utilizando técnicas de enfriamiento láser y transiciones Raman estimuladas por Steven Chu y sus colaboradores en la Universidad de Stanford . ^[11]

En 1999, investigadores de la Universidad de Viena informaron sobre la difracción de fulerenos C _60. ^[12] Los fulerenos son objetos comparativamente grandes y masivos, con una masa atómica de aproximadamente720  Da . La longitud de onda de De Broglie del haz incidente fue de aproximadamente 2,5  pm , mientras que el diámetro de la molécula es de aproximadamente 1  nm , unas 400 veces mayor. En 2012, estos experimentos de difracción de campo lejano se pudieron extender a las moléculas de ftalocianina y sus derivados más pesados, que están compuestos por 58 y 114 átomos respectivamente. En estos experimentos, la acumulación de tales patrones de interferencia se pudo registrar en tiempo real y con sensibilidad de molécula única. ^[13]

En 2003, el grupo de Viena también demostró la naturaleza ondulatoria de la tetrafenilporfirina ^[14] —un biocolorante plano con una extensión de aproximadamente 2 nm y una masa de 614 Da. Para esta demostración emplearon un interferómetro Talbot-Lau de campo cercano. ^{[15] [16]} En el mismo interferómetro también encontraron franjas de interferencia para C ₆₀ F ₄₈ , una buckybola fluorada con una masa de aproximadamente 1600 Da, compuesta de 108 átomos. ^[14] Las moléculas grandes ya son tan complejas que dan acceso experimental a algunos aspectos de la interfaz cuántico-clásica, es decir, a ciertos mecanismos de decoherencia . ^{[17] [18]} En 2011, la interferencia de moléculas tan pesadas como 6910 Da se pudo demostrar en un interferómetro Kapitza-Dirac-Talbot-Lau. ^[19] En 2013, se ha demostrado la interferencia de moléculas más allá de los 10.000 Da. ^[20]

La revisión exhaustiva de 2008 realizada por Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer y David E. Pritchard documenta muchos nuevos enfoques experimentales para la interferometría atómica. ^[21] Más recientemente, los interferómetros atómicos han comenzado a salir de las condiciones de laboratorio y han comenzado a abordar una variedad de aplicaciones en entornos del mundo real. ^{[22] [23]}

Holger Muller, Achim Peters y Steven Chu realizaron en 2009 una medición precisa del corrimiento al rojo gravitacional . No se encontraron violaciones de la relatividad general.7 × 10 ⁻⁹ . ^[24]

En 2020, Peter Asenbaum, Chris Overstreet, Minjeong Kim, Joseph Curti y Mark A. Kasevich utilizaron la interferometría atómica para probar el principio de equivalencia en la relatividad general. No encontraron violaciones de aproximadamente10 ⁻¹² . ^{[25] [26]}

El primer equipo en crear un modelo funcional, el de Pritchard, fue impulsado por David Keith . ^[27] Los giroscopios de interferómetro atómico (AIG) y los giroscopios de espín atómico (ASG) utilizan un interferómetro atómico para detectar la rotación o, en el último caso, utilizan el espín atómico para detectar la rotación; ambos tienen un tamaño compacto, una alta precisión y la posibilidad de fabricarse a escala de chip. ^{[28] [29]} Los "giros de IA" pueden competir, junto con los ASG, con el giroscopio láser de anillo establecido , el giroscopio de fibra óptica y el giroscopio de resonador hemisférico en futuras aplicaciones de guía inercial . ^[30]

• Interferómetro electrónico
• Interferometría de Ramsey

• PR Berman [Editor], Atom Interferometry . Academic Press (1997). Descripción detallada de los interferómetros atómicos en ese momento (buenas introducciones y teoría).
• Reseña de Stedman sobre el efecto Sagnac