Atominterferometri är den mest känsliga kända tekniken för att mäta gravitationskrafter och tröghetskrafter som acceleration och rotation. Det är en grundpelare i vetenskaplig forskning och kommersialiseras som ett sätt att spåra platser i miljöer där GPS inte är tillgänglig. Det är också extremt känsligt för elektriska fält och har använts för att göra små mätningar av elementens grundläggande elektriska egenskaper.

De mest känsliga atominterferometrarna använder exotiska tillstånd av materia som kallas Bose-Einstein-kondensat. I det senaste numret av Fysiska granskningsbrev , MIT-forskare presenterar ett sätt att göra atominterferometri med Bose-Einstein-kondensat ännu mer exakt, genom att eliminera en felkälla som är endemisk för tidigare mönster.

Interferometrar som använder den nya designen kan hjälpa till att lösa några grundläggande frågor inom fysik, såsom mellanstaternas natur mellan kvantbeskrivningen av materia, som råder i mycket små skalor, och den newtonska beskrivningen som vardagstekniken beror på.

"Tanken här är att Bose-Einstein-kondensat faktiskt är ganska stora, säger William Burton, en MIT -doktorand i fysik och första författare på pappret. "Vi vet att mycket små saker verkar kvantum, men då agerar stora saker som du och jag inte särskilt kvant. Så vi kan se hur långt ifrån varandra vi kan sträcka ett kvantsystem och ändå få det att fungera koherent när vi återför det. Det är en intressant fråga."

Med Burton på tidningen är hans rådgivare, professor i fysik Wolfgang Ketterle, som vann Nobelpriset i fysik 2001 för sitt banbrytande arbete med Bose-Einstein-kondensat, och fyra andra medlemmar av MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, som Ketterle regisserar.

Skär upp kondensat

Bose-Einstein-kondensat är grupper av atomer som, när den svalnat nästan till absolut noll, alla bor exakt i samma kvanttillstånd. Detta ger dem ett antal ovanliga egenskaper, bland dem extrem känslighet för störningar från yttre krafter.

Ett vanligt tillvägagångssätt för att bygga en Bose-Einstein kondensatinterferometer innebär att ett moln av atomer-kondensatet-stängs upp i en kammare och sedan skjuter in en laserstråle i den för att producera en "stående våg". Om en våg betraktas som en krångel med vanliga tråg och toppar, då produceras en stående våg när en våg är exakt i linje med dess reflektion. Nollpunkterna - övergångspunkterna mellan tråg och topp - i vågen och dess reflektion är identiska.

Den stående vågen delar kondensatet i ungefär lika stora grupper av atomer, var sitt kondensat. I MIT-forskarnas experiment, till exempel, den stående vågen delar cirka 20, 000 rubidiumatomer i 10 grupper om cirka 2, 000, var och en upphängd i en "brunn" mellan två nollpunkter på den stående vågen.

När yttre krafter verkar på kondensatet, laserfällan hindrar dem från att röra sig. Men när lasern stängs av, kondensaten expanderar, och deras energi återspeglar de krafter de utsattes för. Att lysa genom ett moln av atomer ger ett interferensmönster från vilket den energin, och därmed kraften kondensat upplevde, kan beräknas.

Denna teknik har gett de mest exakta mätningarna av gravitation och tröghetskrafter på rekord. Men det har ett problem:Uppdelningen av kondensatet i separata kluster är inte helt jämn. En brunn i den stående vågen kan innehålla, säga, 1, 950 atomer, och den bredvid den 2, 050. Denna obalans ger skillnader i energi mellan brunnar som introducerar fel i den slutliga energimätningen, begränsa dess precision.

Balansgång

För att lösa det här problemet, Burton, Ketterle, och deras kollegor använder inte bara ett utan två kondensat som utgångspunkt för sin interferometer. Förutom att fånga kondensatet med en laser, de utsätter dem också för ett magnetfält.

Båda kondensaten består av rubidiumatomer, men de har olika "snurr, " en kvantegenskap som beskriver deras magnetiska inriktning. Den stående vågen segregerar båda grupperna av atomer, men bara en av dem-de nedåtriktade atomerna-känner av magnetfältet. Det betyder att atomerna i den andra gruppen-spin-up-atomerna-är fria att röra sig från brunn till brunn i den stående vågen.

Eftersom ett relativt överskott av nedrullningsatomer i en brunn ger det en liten ökning av energi, det kommer att slå några av sina spin-up atomer i de närliggande brunnarna. Upprullningsatomerna rör sig runt den stående vågen tills varje brunn har exakt samma antal atomer. I slutet av processen, när atomernas energier avläses, spin-up-atomerna korrigerar obalanserna mellan spin-down-atomer.

Bose-Einstein-kondensat är intressanta eftersom de uppvisar relativt stora kvanteffekter, och kvantbeskrivningar av fysiska system återspeglar i allmänhet vågpartikeldualitet-det faktum att, i tillräckligt små skalor, materia kommer att uppvisa beteenden som är karakteristiska för både partiklar och vågor. Kondensaten i MIT-forskarnas experiment kan alltså ses som vågor, med sina egna våglängder, amplituder, och faser.

För att göra atominterferometri, klyngorna av atomer fångade av lasern måste alla vara i fas, vilket betyder att vågarnas dalar och toppar är i linje. Forskarna visade att deras "skärmande" metod höll kondensaten i fas mycket längre än vad som tidigare var möjligt, vilket bör förbättra noggrannheten hos atominterferometri.

"En av de stora förväntningarna på Bose-Einstein kondensat [BECs], som framhölls i Nobelcitatet, var att de skulle leda till ansökningar, säger Dominik Schneble, docent i fysik vid Stony Brook University. "Och en av dessa applikationer är atominterferometri."

"Men interaktioner mellan BEC ger i princip upphov till avfasning, som inte kan kontrolleras särskilt väl, "Säger Schneble." Ett tillvägagångssätt har varit att stänga av interaktionerna. I vissa delar, man kan göra detta mycket bra. Men det är inte en universell egendom. Vad de gör i den här artikeln säger de, 'Vi accepterar det faktum att interaktionerna finns där, men vi använder interaktioner så att det inte bara är ett problem utan också löser andra problem. ' Det är väldigt elegant och väldigt smart. Det passar situationen som en naturlig handske. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.