&kule; Fysikk 15, 161
En laserkilde med flere bølgelengder kjent som en frekvenskam gir en ny teknikk for atominterferometri, som potensielt kan føre til nye tester av grunnleggende fysikk.
C. Solaro / Sorbonne University
I atominterferometri bruker forskere interferens fra kvantebølger av materie, ofte for høypresisjonseksperimenter som tester grunnleggende fysikkprinsipper. Et forskerteam har nå demonstrert en ny måte å produsere materiebølgeinterferens ved å bruke en frekvenskamlaser – et kamlignende sett med spektrallinjer med jevne frekvenser. [1]. Kammen tillot teamet å generere interferens i en sky av kalde atomer. Metoden kan til slutt brukes til å undersøke forskjeller mellom materie og antimaterie.
I følge det svake ekvivalensprinsippet må tyngdekraften få både materie og antimaterie til å falle i samme hastighet (se den grafiske forklaringen, Ekvivalensprinsippet under a MIKROSKOP). Avvik fra dette prinsippet kan peke på forklaringer på den hittil mystiske ubalansen i mengdene av materie og antimaterie i universet. Atominterferometri kan gi en test av svak ekvivalens gjennom presise målinger av antihydrogens fritt fall. Så langt har lysbasert kontroll av atominterferometri brukt kontinuerlig bølge (cw) lasere [2]som ikke lett kan utvides til de korte bølgelengdene i ekstrem ultrafiolett (XUV) som er nødvendig for slike studier av antihydrogen.
Frekvenskammer tilbyr en vei rundt hindringen fordi de potensielt kan produsere nøyaktig innstilt XUV-lys. De produseres vanligvis av et tog av ultrakorte laserpulser som gir et spektrum av laserfrekvenser (spektrallinjer) med lik avstand på en gang. Cyrille Solaro fra Sorbonne University i Paris og hans medarbeidere har nå vist at en frekvenskam kan brukes til å generere interferens i en sky av frittfallende kalde rubidiumatomer.
I eksperimentet skaper frekvenskammen en kvantesuperposisjon, noe som betyr at atomene okkuperer to forskjellige tilstander samtidig. Kammen forbereder hver tilstand som en “bølgepakke” – et kort utbrudd av de respektive partikkelbølgene – og måler deretter interferensen til de to bølgepakkene når de følger forskjellige baner og kommer sammen igjen.
Forskerne brukte to kamstråler med lett forskjøvede frekvenser som forplantet seg vertikalt i motsatte retninger gjennom skyen for å indusere en såkalt stimulert Raman-overgang. I denne prosessen absorberer et atom et foton fra den ene strålen og blir deretter stimulert til å forfalle av et foton med litt lavere frekvens fra den andre strålen, og etterlater atomet i en måleksitert elektronisk tilstand. Med nøye innstilling av de eksperimentelle parameterne kunne forskerne plassere atomene i en 50/50 superposisjon av grunntilstanden og den eksiterte tilstanden. (Bruken av en frekvenskam for å drive disse Raman-overgangene i rubidium ble demonstrert tidligere [3, 4].)
Det er avgjørende at grunntilstanden og den eksiterte måltilstanden har forskjellige kinetiske energier fordi fotonene som absorberes og sendes ut i Raman-overgangene gir momentumspark. Disse sparkene ville sende bølgepakken til et begeistret atom på en bane for fritt fall som er forskjellig fra den til et grunntilstandsatom. Atomer i superposisjonen følger dermed begge banene, som så kommer sammen igjen og forstyrrer.
Solaro og kolleger målte interferens mellom bakken og eksiterte bølgepakker ved å overvåke de påfølgende oscillasjonene i atomenes lysutslipp mens teamet varierte frekvensforskjellen mellom de to kammene. Fra disse svingningene bestemte de gravitasjonsakselerasjonen g med en presisjon på en del av 105. I en materie-antimaterie sammenligning ville man sammenlignet verdiene til g bestemt for de to partikkeltypene, og et avvik vil signalisere et brudd på svak ekvivalens.
Presisjonen forskerne oppnådde er ikke så god som kan oppnås fra atominterferometri eksitert av cw-lasere. Men cw-lasere kan ikke brukes ved XUV-bølgelengder, som det nå utvikles frekvenskammer for [5]. Forskerne skriver at presisjonen som ble demonstrert i målingen deres, hvis den ble reprodusert for et interferometrisk eksperiment med antihydrogen, “ville føre til en streng test av det svake ekvivalensprinsippet med antimaterie.”
Den nye teknikken “kan åpne døren for å introdusere en mer mangfoldig gruppe atomer med et større utvalg av energiskalaer til presisjonsmåling inne i et atominterferometer,” sier atomfysiker Jun Ye fra National Institute of Standards and Technology i Colorado. Selv om frekvenskammene i XUV-regionen som trengs for interferometriske studier av antihydrogen ennå ikke er fullt utviklet, sier optisk fysiker Minhaeng Cho ved Korea University i Seoul at innsatsen for å produsere dem for tiden er “kraftig.” Gitt prinsippbeviset som er etablert av de nye resultatene, tror han at et slikt interferometrisk eksperiment med stor sannsynlighet vil være oppnåelig.
– Philip Ball
Philip Ball er en frilans vitenskapsskribent i London. Hans siste bok er De moderne mytene (University of Chicago Press, 2021).
Referanser
- C. Solaro et al.“Atom interferometer drevet av en picosekund frekvenskam,” Phys. Rev. Lett. 129173204 (2022).
- M. Kasevich og S. Chu, “Atomisk interferometri ved bruk av stimulerte Raman-overganger,” Phys. Rev. Lett. 67 (1991).
- Y. Fukuda et al.“Synkronisert kvanteslagspektroskopi ved bruk av periodiske støteksitasjoner med CW-moduslåste laserpulser,” Opt. Commun. 38 (1981).
- C. Solaro et al.“Direkte frekvens-kam-drevne Raman-overganger i terahertz-området,” Phys. Rev. Lett. 120 (2018).
- G. Porat et al.“Fasetilpasset ekstrem-ultrafiolett frekvenskamgenerering,” Nat. Fotonikk 12 (2018).