&kule; Fysikk 15, 162
Konstruksjonen av såkalte Floquet-tilstander fører til nesten perfekte atomoptikk-elementer for materiebølge-interferometre – noe som kan øke disse enhetenes evne til å undersøke ny fysikk.
T. Wilkason, M. Nantel, J. Rudolph, Y. Jiang, BE Garber, H. Swan, SP Carman, M. Abe og JM Hogan/Stanford University
Siden Michelson og Morleys berømte eksperiment for å oppdage den “luminiferous eter”, har optisk interferometri tilbudt verdifulle verktøy for å studere grunnleggende fysikk. I dag inkluderer banebrytende anvendelser av teknikken bruken som en høypresisjonslinjal for å oppdage gravitasjonsbølger (se Fokus: Månen som en gravitasjonsbølgedetektor) og som en plattform for kvanteberegning (se Synspunkt: Kvantesprang for kvanteprimat). Men etter hvert som metoder for avkjøling og kontroll av atomer har utviklet seg, har en ny type interferometer blitt tilgjengelig, der lysbølger erstattes av materiebølger [1]. Slike enheter kan måle treghetskrefter med en følsomhet som er enda større enn for optiske interferometre [2] og kunne avsløre ny fysikk utover standardmodellen. I et nytt eksperiment har Jason Hogan og hans kolleger ved Stanford University tatt for seg en av hindringene som har begrenset potensialet til materiebølge-interferometre til nå: ineffektiv kobling mellom atomene som utgjør materiebølgene og lyspulsene som brukes til å manipulere dem [3]. Teknikken deres kan føre til interferometre med materiebølger som er følsomme nok til å oppdage svingninger i jordens rotasjonshastighet eller manifestasjoner av generelle relativistiske effekter som rom-tids “torsjon” forutsagt av noen alternative teorier om tyngdekraft.
Enten et interferometer bruker lys- eller materiebølger, avhenger følsomheten for treghetseffekter som rotasjon av separasjonen mellom interferometerarmene. I materiebølge-interferometre krever en stor armseparasjon opprettelse av koherente superposisjoner av atommomenttilstander slik at atombølgefunksjonen kan delokaliseres over store avstander – typisk noen få centimeter. Slike store armseparasjoner gir sterk interferometerfølsomhet på bekostning av lavere interferometerkontrast – det vil si signal-til-støy-forhold. For å bevare en høy kontrast med store armseparasjoner, brukes vanligvis to tilnærminger. I begge metodene brukes lyspulser som atomoptiske elementer for å avlede atombanene ved å overføre fotonmomenta til atomene. Den første tilnærmingen oppnår den ønskede interferometerkontrasten ved å øke størrelsen på enheten – slik det for eksempel gjøres i det toppmoderne fontene-kaldatomgyroskopet som brukes til å måle Sagnac-effekten med 25 ppm nøyaktighet [4]. Den andre tilnærmingen gjør det ved å maksimere momentumet som overføres av lyspulsene til atomene [5].
Forskere som bruker den sistnevnte teknikken – kalt stor bevegelsesoverføring (LMT) – står overfor et problem: atomene i hver arm beveger seg med forskjellige hastigheter, og produserer en avstemmingsfeil for interferometerstrålene via en differensiell Doppler-forskyvning. Den resulterende ikke-identiske lyskoblingen i de to armene induserer et kontrasttap. For å dempe dette problemet bruker konvensjonell LMT-atomoptikk korte bredbåndspulser for å avlede atomene. I denne tilnærmingen kan den brede båndbredden til pulsene romme en rekke avstemmingsfeil, men fører til tap av effektivitet og kontrast. Hogan og medarbeidere foreslår en annen tilnærming der pulsene også brukes til å kontrollere atomtilstandene på en måte som automatisk korrigerer den iboende avstemmingsfeilen. De viser at frekvensavstemmingene til interferometerstrålene kan kompenseres ved å modulere atom-lys-interaksjonen.
Spesielt demonstrerer teamet et materiebølge-interferometer der strontiumatomer oscillerer mellom 1S0 og 3P1 stater. Ved å modulere amplituden til koblingen mellom atomene og interferometerstrålene i 1S0–3P1 optisk overgang genererer forskerne et sett med Floquet-tilstander som den innledende atomiske momentumtilstanden projiseres på. Atomene gjennomgår en endring i deres indre tilstand mens de samtidig endrer deres ytre tilstand – øker eller reduserer deres momenta. Denne prosessen kan realiseres med en troskap nær 100 %. Hvordan er en slik forestilling mulig? Vi kan se på denne prosessen fra to perspektiver.
Fra et energisynspunkt kan man si at for en gitt doppleravstemming av interferometerstrålen, skaper modulasjonen et sidebånd med frekvensen som kreves for å kompensere denne avstemmingen. Moduleringen legger til den manglende energien som trengs for å oppfylle resonansbetingelsen. Med andre ord utvider koblingsmodulasjonen lysstrålen spektralt over et frekvensbånd som dekker Doppler-avstemmingen.
Fra et kvantetilstandssynspunkt, ved å modulere atom-lys-koblingen, skaper forfatterne manifolder av tidsavhengige kledde tilstander preget av et veldefinert antall moduleringsenergikvanter. Deretter, ved å justere den tidsmessige profilen til koblingen, er de i stand til å få atom-lyssystemet til å utvikle seg fra en manifold til en annen (fig. 1). Siden disse manifoldene, eller Floquet-underrommene, tilsvarer forskjellige momenta eller forplantningshastigheter til atomene, kan man effektivt overføre en betydelig mengde fotonmomenta til atomene uten å miste interferometerkontrasten. Dette er arbeidsprinsippet til Floquet-atomoptikken.
Som et resultat av denne prosessen oppnår Hogan og kollegene en stor momentumoverføring på 400 hk— Stille inn det siste innen LMT-interferometre — men med en overlegen
10 % kantsynlighet og en 99,4 % effektiv populasjonsinversjon av interferometertilstandene. Dermed gir deres demonstrerte Floquet-atomoptikk nesten perfekt koherent tilstandsmanipulasjon. Sammenlignet med andre for tiden brukte teknikker, tillater denne nye metoden en robust, fleksibel og enkel å implementere (bare tre parametere er nødvendig) for å avstemme feilkorreksjon i interferometre med store bølger. I tillegg kan det å konstruere atom-lys-koblingen på denne måten tilby nye perspektiver i for eksempel å kontrollere momentumoverføring til atomene selv når de er fanget i modulerte potensialer [6]konstruksjon av dekoherensfrie underrom for prosessering av kvanteinformasjon [7]og utføre kvantesimulering [8].
Referanser
- Ch. J. Bordé, “Atomisk interferometri med intern tilstandsmerking,” Phys. Lett. EN 14010 (1989).
- En Peters et al.“Tyngekraftsmålinger med høy presisjon ved bruk av atominterferometri,” Metrologi 3825 (2001).
- T. Wilkason et al.“Atominterferometri med Floquet-atomoptikk,” Phys. Rev. Lett. 129183202 (2022).
- R. Gautier et al.“Nøyaktig måling av Sagnac-effekten for materiebølger,” Sci. Adv. 8 (2022).
- JM McGuirk et al.“Lyspulsatominterferometri med stort område,” Phys. Rev. Lett. 854498 (2000).
- I. Bouchoule et al.“Begrensninger for modulasjonsmetoden for å jevne ut wire-guideruhet,” Phys. Rev. A 77023624 (2008).
- C. Chen et al.“Flåkekontroll av kvantespredning i spinnkjeder,” Phys. Rev. A 91052122 (2015).
- N. Goldman et al.“Topologisk kvantestoff med ultrakalde gasser i optiske gitter,” Nat. Phys. 12639 (2016).