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Interferómetro atómico

Un interferómetro atómico es un interferómetro que utiliza el carácter ondulatorio de los átomos. Al igual que los interferómetros ópticos, los interferómetros atómicos miden la diferencia de fase entre ondas de materia atómica a lo largo de diferentes caminos. Hoy en día, la interferencia atómica normalmente se controla con rayos láser. [1] : Los interferómetros atómicos 420-1  tienen muchos usos en física fundamental, incluidas mediciones de la constante gravitacional , la constante de estructura fina , la universalidad de la caída libre y se han propuesto como método para detectar ondas gravitacionales . [2] También tienen usos aplicados como acelerómetros, sensores de rotación y gradiómetros de gravedad. [3]

Descripción general

La interferometría divide una onda en dos o más caminos y luego recombina las ondas después de la interacción a lo largo de uno de los caminos. El interferómetro atómico utiliza ondas de materia del centro de masa con longitud de onda corta de De Broglie . [4] [5] Algunos experimentos incluso utilizan moléculas para obtener longitudes de onda de De Broglie aún más cortas y para buscar los límites de la mecánica cuántica. [6] En muchos experimentos con átomos, los papeles 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).

Tipos de interferómetro

Una trampa magnetoóptica compacta , el primer paso para generar un interferómetro atómico.

Si bien el uso de átomos ofrece un fácil acceso 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 se realiza mientras los átomos están en vuelo, o mientras caen en vuelo libre. En otros experimentos no se niegan los efectos gravitacionales por aceleración libre; 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 en los sistemas guiados, pero esto aún no se ha confirmado experimentalmente.

Los primeros interferómetros atómicos utilizaban hendiduras o cables para los divisores de haz y los espejos. Los sistemas posteriores, especialmente los guiados, utilizaron fuerzas luminosas para dividir y reflejar la onda de materia. [7]

Ejemplos

Historia

Immanuel Estermann y Otto Stern observaron por primera vez la interferencia de las ondas de materia atómica en 1930, cuando un haz de sodio (Na) se difractó de una superficie de cloruro de sodio (NaCl). [8] El primer interferómetro atómico moderno del que se informó fue un experimento de doble rendija con átomos de helio metaestables y una doble rendija microfabricada por O. Carnal y Jürgen Mlynek en 1991, [9] y un interferómetro que utilizaba tres rejillas de difracción microfabricadas y átomos de Na en el grupo en torno a David E. Pritchard en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). [10] Poco después, una versión óptica de un espectrómetro Ramsey típicamente utilizado en relojes atómicos fue reconocida también como interferómetro atómico en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, Alemania. [11] La mayor separación física entre los paquetes de ondas parciales de átomos se logró utilizando técnicas de enfriamiento por láser y transiciones Raman estimuladas por Steven Chu y sus compañeros de trabajo en la Universidad de Stanford . [12]

En 1999, investigadores de la Universidad de Viena informaron sobre la difracción de fullerenos C 60 . [13] Los fullerenos son objetos comparativamente grandes y masivos, con una masa atómica de aproximadamente 720 u . La longitud de onda de De Broglie del haz incidente era 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 podrían ampliarse a las moléculas de ftalocianina y sus derivados más pesados, que están compuestos por 58 y 114 átomos respectivamente. En estos experimentos se pudo registrar la formación de tales patrones de interferencia en tiempo real y con sensibilidad de una sola molécula. [14]

En 2003, el grupo de Viena también demostró la naturaleza ondulatoria de la tetrafenilporfirina [15] , un biotinte plano con una extensión de aproximadamente 2 nm y una masa de 614 u. Para esta demostración emplearon un interferómetro Talbot Lau de campo cercano. [16] [17] En el mismo interferómetro también encontraron franjas de interferencia para C 60 F 48 , una buckybola fluorada con una masa de aproximadamente 1600 u, compuesta por 108 átomos. [15] Las moléculas grandes ya son tan complejas que dan acceso experimental a algunos aspectos de la interfaz cuántica-clásica, es decir, a ciertos mecanismos de decoherencia . [18] [19] En 2011, la interferencia de moléculas tan pesadas como 6910 u pudo demostrarse en un interferómetro Kapitza-Dirac-Talbot-Lau. [20] En 2013, se demostró la interferencia de moléculas más allá de 10.000 u. [21]

La revisión exhaustiva de 2008 realizada por Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer y David E. Pritchard documenta muchos enfoques experimentales nuevos para la interferometría atómica. [22] 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. [23] [24]

Aplicaciones

Física gravitacional

En 2009, Holger Muller, Achim Peters y Steven Chu realizaron una medición precisa del corrimiento al rojo gravitacional . No se encontraron violaciones de la relatividad general en 7 × 10 -9 . [25]

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 hasta aproximadamente 10 -12 . [26] [27]

Navegación inercial

El primer equipo que hizo un modelo funcional, el de Pritchard, fue impulsado por David Keith . [28] Los giroscopios con 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 giro atómico para detectar la rotación; ambos tienen un tamaño compacto, alta precisión y la posibilidad de fabricarse en una escala de chips. [29] [30] Los "giroscopios AI" 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 . [31]

Ver también

Referencias

  1. ^ Hecht, Eugenio (2017). Óptica (5ª ed.). Pearson. ISBN 978-0-133-97722-6.
  2. ^ Dimopoulos, S.; et al. (2009). "Detección de ondas gravitacionales con interferometría atómica". Letras de Física B. 678 (1): 37–40. arXiv : 0712.1250 . Código Bib : 2009PhLB..678...37D. doi :10.1016/j.physletb.2009.06.011. S2CID  118837118.
  3. ^ Extraviado, Ben; Cordero, Andrés; Kaushik, Aisha; Vovrosh, Jamie; Cabrestante, Jonathan; Hayati, Farzad; Corpiño, Daniel; Stabrawa, Artur; Niggebaum, Alejandro; Langlois, Mehdi; Gravamen, Yu-Hung; Lellouch, Samuel; Roshanmanesh, Sanaz; Ridley, Kevin; de Villiers, Geoffrey; Marrón, Gareth; Cruz, Trevor; Tuckwell, George; Faramarzi, Asaad; Metje, Nicole; Bongs, Kai; Holynski, Michael (2020). "Detección cuántica para cartografía gravitacional". Naturaleza . 602 (7898): 590–594. doi : 10.1038/s41586-021-04315-3 . PMC 8866129 . PMID  35197616. 
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  8. ^ Estermann, yo; Popa, Otto (1930). "Beugung von Molekularstrahlen". Z. Física . 61 (1–2): 95. Bibcode : 1930ZPhy...61...95E. doi :10.1007/bf01340293. S2CID  121757478.
  9. ^ Carnal, O.; Mlynek, J. (1991). "Experimento de Young con átomos de doble rendija: un interferómetro atómico simple". Física. Rev. Lett . 66 (21): 2689–2692. Código bibliográfico : 1991PhRvL..66.2689C. doi :10.1103/physrevlett.66.2689. PMID  10043591.
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enlaces externos