Атомный интерферометр

Атомный интерферометр — это измерительный прибор, основанный на интерференции волн материи, в котором в качестве когерентного источника используются атомы (или молекулы), а роль разделителя и соединителя пучков выполняют лазерные импульсы или другие устройства, создающие квантовую суперпозицию состояний. Принцип действия атомного интерферометра аналогичен оптическому интерферометру, но вместо фотонов используются атомы, обладающие массой и, следовательно, значительно более короткой длиной волны де Бройля, что обеспечивает потенциально более высокую чувствительность к внешним воздействиям, таким как ускорение, вращение и гравитационные поля.

История

Идея использования атомов для интерферометрии была впервые высказана в 1970-х годах, однако практическая реализация стала возможной лишь после развития методов лазерного охлаждения и управления атомами. Первый работающий атомный интерферометр был продемонстрирован в 1991 году группой Дэвида Притчарда (Массачусетский технологический институт). В этом эксперименте использовались атомы натрия, охлаждённые до микрокельвиновых температур, и стоячая световая волна для разделения и соединения атомных пучков.

В 1990-е годы были разработаны основные схемы атомных интерферометров, включая интерферометры на основе импульсных лазерных воздействий (так называемые интерферометры Рамана-Борде) и интерферометры с использованием дифракционных решёток. В 1997 году группа Стивена Чу (Стэнфордский университет) продемонстрировала атомный интерферометр, способный измерять ускорение свободного падения с высокой точностью. В 2010-е годы началось активное применение атомных интерферометров в геофизике, навигации и фундаментальной физике, включая поиск отклонений от общей теории относительности и проверку принципа эквивалентности.

Принцип работы

Атомный интерферометр использует волновые свойства атомов, описываемые квантовой механикой. Согласно корпускулярно-волновому дуализму, атом с импульсом \(p\) имеет длину волны де Бройля \(\lambda = h/p\), где \(h\) — постоянная Планка. Для атомов, охлаждённых до микрокельвиновых температур, эта длина волны составляет порядка 10–100 пикометров, что на несколько порядков меньше длины волны видимого света.

Процесс измерения в атомном интерферометре включает три основных этапа:

1. Разделение волнового пакета. Атомный пучок (или облако холодных атомов) подвергается воздействию лазерных импульсов, которые переводят атом в суперпозицию двух состояний с разными импульсами. Например, в интерферометре Рамана-Борде используется два лазерных импульса, которые вызывают переходы между двумя сверхтонкими уровнями атома с одновременным изменением импульса на величину \(\hbar k\), где \(k\) — волновое число лазера. В результате атом оказывается в суперпозиции состояний \(|g, p\rangle\) и \(|e, p + \hbar k\rangle\), где \(g\) и \(e\) — внутренние состояния.

1. Эволюция в пространстве. Два компонента волнового пакета распространяются по разным траекториям, накапливая разность фаз под действием внешних сил (гравитации, ускорения, вращения). Время эволюции \(T\) может составлять от миллисекунд до нескольких секунд, в течение которых атомы находятся в свободном падении или в магнитной ловушке.

1. Соединение и детектирование. После времени эволюции на атомы воздействуют вторым (или третьим) лазерным импульсом, который объединяет два волновых пакета. В результате интерференции атомы переходят в определённые внутренние состояния с вероятностью, зависящей от накопленной разности фаз. Измеряя количество атомов в каждом состоянии (например, методом флуоресценции), можно определить фазовый сдвиг, который связан с измеряемой физической величиной.

Типы атомных интерферометров

По методу разделения пучков

• Интерферометры Рамана-Борде. Используют два или три лазерных импульса, вызывающих двухфотонные переходы между сверхтонкими уровнями. Являются наиболее распространённым типом для измерений ускорения и вращения.
• Интерферометры на основе дифракционных решёток. Используют стоячие световые волны или материальные решётки (например, нанощелевые) для дифракции атомов. Обеспечивают более широкий угол разделения пучков, но сложнее в реализации.
• Интерферометры с использованием эффекта Штарка. Разделение осуществляется за счёт неоднородного электрического поля, вызывающего сдвиг уровней энергии. Применяются для измерений электрических полей.

По типу используемых атомов

• Щелочные металлы (натрий, рубидий, цезий). Наиболее распространены благодаря простоте лазерного охлаждения и наличию подходящих переходов для рамановских импульсов.
• Щелочноземельные металлы (стронций, кальций). Обладают узкими оптическими переходами, что позволяет создавать интерферометры с очень высокой точностью.
• Метастабильные атомы (гелий, неон). Используются в экспериментах по проверке квантовой механики и измерению фундаментальных констант.

Применение

Гравиметрия и геофизика

Атомные интерферометры позволяют измерять ускорение свободного падения \(g\) с точностью до \(10^{-9}\) от его значения. Это используется для:

• Картирования гравитационного поля Земли (гравиразведка полезных ископаемых, обнаружение пустот).
• Мониторинга изменения уровня грунтовых вод и движения тектонических плит.
• Калибровки гравиметров и инерциальных навигационных систем.

Навигация и инерциальные измерения

Атомные интерферометры могут служить высокоточными акселерометрами и гироскопами. В отличие от классических механических гироскопов, они не имеют подвижных частей и не подвержены дрейфу. Потенциальная точность атомных гироскопов может превышать точность лучших волоконно-оптических гироскопов на несколько порядков. Разработка компактных атомных интерферометров для навигации ведётся в ряде стран, включая Россию (например, в Институте лазерной физики СО РАН).

Фундаментальная физика

• Проверка принципа эквивалентности. Атомные интерферометры позволяют сравнивать ускорение свободного падения для разных атомов (например, рубидия и калия) с высокой точностью, что даёт возможность проверить слабый принцип эквивалентности Эйнштейна.
• Измерение постоянной тонкой структуры. Комбинируя измерения атомных интерферометров с данными по рекомбинации водорода, можно уточнить значение фундаментальной константы \(\alpha\).
• Поиск тёмной энергии и тёмной материи. Атомные интерферометры могут быть использованы для обнаружения сверхлёгких частиц (аксионов, скалярных полей), которые могли бы вызывать дополнительные фазовые сдвиги.
• Тестирование квантовой механики. Интерферометры с макроскопическими атомными волновыми пакетами позволяют изучать границы квантовой суперпозиции и декогеренцию.

Квантовые технологии

Атомные интерферометры являются ключевым элементом квантовых сенсоров и квантовых вычислительных устройств, основанных на атомных кубитах. Они используются для создания высокостабильных атомных часов и квантовых повторителей.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высокая чувствительность. Благодаря малой длине волны де Бройля и большой массе атомов, атомные интерферометры могут быть на несколько порядков чувствительнее оптических к ускорению и вращению.
• Отсутствие дрейфа. В отличие от механических гироскопов, атомные интерферометры не имеют подвижных частей, что исключает механический износ и дрейф нуля.
• Абсолютные измерения. Атомные интерферометры могут быть откалиброваны по фундаментальным константам (постоянная Планка, масса атома), что позволяет проводить абсолютные измерения без привязки к эталонам.

Ограничения

• Сложность и габариты. Современные атомные интерферометры требуют вакуумных камер, лазерных систем охлаждения и детектирования, что делает их громоздкими и дорогими. Разработка компактных и портативных версий является активной областью исследований.
• Чувствительность к вибрациям. Для достижения высокой точности атомные интерферометры необходимо устанавливать на виброизолированные платформы или использовать методы коррекции вибраций.
• Время когерентности. Максимальное время эволюции атомов ограничено декогеренцией, вызванной столкновениями с фоновыми газами и неоднородностями внешних полей.

Современное состояние и перспективы

В 2020-е годы атомные интерферометры вышли из лабораторной стадии и начали использоваться в полевых условиях. Например, в 2022 году группа из Университета Ганновера продемонстрировала мобильный атомный гравиметр, способный работать в условиях городской застройки. В России разработкой атомных интерферометров занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, Институте лазерной физики СО РАН и Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова.

Перспективные направления включают:

• Создание атомных интерферометров на основе холодных атомов в микрогравитации (на борту Международной космической станции или в суборбитальных полётах).
• Использование атомных интерферометров для поиска гравитационных волн в диапазоне средних частот (0,1–10 Гц), недоступном для лазерных интерферометров LIGO и VIRGO.
• Интеграция атомных интерферометров с квантовыми процессорами для создания гибридных квантовых систем.

Источники

• Квантовая механика: учебное пособие / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — М.: Наука, 1989.
• Atom Interferometry / ed. by P. R. Berman. — Academic Press, 1997.
• Cronin A. D., Schmiedmayer J., Pritchard D. E. Optics and interferometry with atoms and molecules // Reviews of Modern Physics. — 2009. — Vol. 81, № 3. — P. 1051–1129.
• Geiger R., Landragin A., Merlet S., Pereira Dos Santos F. High-accuracy inertial measurements with cold-atom sensors // AVS Quantum Science. — 2020. — Vol. 2, № 2. — 024702.
• Атомная интерферометрия: состояние и перспективы / под ред. В. И. Балыкина. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018.