Frequentiekam meet Quantum Interferentie

&kogel; Natuurkunde 15, 161

Een laserbron met meerdere golflengten die bekend staat als een frequentiekam, biedt een nieuwe techniek voor atoominterferometrie, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe tests van de fundamentele fysica.

C. Solaro/Sorbonne-universiteit

Interferentie met atomen. Twee frequentiekamlaserstralen, die in tegengestelde richtingen reizen, worden gebruikt om golfpakketten van koude rubidiumatomen te splitsen en opnieuw te combineren wanneer ze onder zwaartekracht vallen (links). Dankzij de verschillende banen die de golfpakketten volgen, interfereren ze wanneer ze opnieuw combineren. Wanneer de onderzoekers de banen variëren (ook met behulp van de frequentiekammen), genereert de interferentie een reeks oscillaties (rechts), of „randen“, in de intensiteit van het door de atomen uitgezonden licht, waaruit de versnelling als gevolg van de zwaartekracht kan worden afgeleid met hoge precisie.Interferentie met atomen. Twee frequentiekamlaserstralen, die in tegengestelde richtingen reizen, worden gebruikt om golfpakketten van koude rubidiumatomen te splitsen en opnieuw te combineren wanneer ze onder zwaartekracht vallen (links). Dankzij de verschillende trajecten volgen de golfpakketten… Laat meer zien

Bij atoominterferometrie gebruiken onderzoekers de interferentie van kwantumgolven van materie, vaak voor zeer nauwkeurige experimenten om fundamentele natuurkundige principes te testen. Een onderzoeksteam heeft nu een nieuwe manier aangetoond om materiegolfinterferentie te produceren door een frequentiekamlaser te gebruiken – een kamachtige reeks spectraallijnen op regelmatig uit elkaar geplaatste frequenties [1]. Met de kam kon het team interferentie genereren in een wolk van koude atomen. De methode kan uiteindelijk worden gebruikt om verschillen tussen materie en antimaterie te onderzoeken.

Volgens het zwakke equivalentieprincipe moet de zwaartekracht ervoor zorgen dat zowel materie als antimaterie met dezelfde snelheid dalen (zie de grafische uitleg, Het equivalentieprincipe onder een MICROSCOOP). Afwijkingen van dit principe zouden kunnen wijzen op verklaringen voor de tot nu toe mysterieuze onbalans in de hoeveelheden materie en antimaterie in het heelal. Atom-interferometrie zou een test van zwakke equivalentie kunnen bieden door nauwkeurige metingen van de vrije val van antiwaterstof. Tot nu toe heeft de op licht gebaseerde besturing van atoominterferometrie gebruik gemaakt van continue-golf (cw) lasers [2]die niet gemakkelijk kunnen worden uitgebreid tot de korte golflengten in het extreme ultraviolet (XUV) die nodig zijn voor dergelijke onderzoeken naar antiwaterstof.

Frequentiekammen bieden een manier om dat obstakel te omzeilen, omdat ze mogelijk nauwkeurig afgestemd XUV-licht kunnen produceren. Ze worden meestal geproduceerd door een reeks ultrakorte laserpulsen die in één keer een spectrum van op gelijke afstand van elkaar geplaatste laserfrequenties (spectraallijnen) bieden. Cyrille Solaro van de Sorbonne Universiteit in Parijs en zijn medewerkers hebben nu aangetoond dat een frequentiekam kan worden gebruikt om interferentie te genereren binnen een wolk van vrij vallende koude rubidium-atomen.

In het experiment creëert de frequentiekam een ​​kwantumsuperpositie, wat betekent dat de atomen tegelijkertijd twee verschillende toestanden innemen. De kam bereidt elke toestand voor als een „golfpakket“ – een korte burst van de respectieve deeltjesgolven – en meet vervolgens de interferentie van de twee golfpakketten terwijl ze verschillende banen volgen en weer bij elkaar komen.

De onderzoekers gebruikten twee kambundels met licht verschoven frequenties die zich verticaal in tegengestelde richting door de wolk voortplanten om een ​​zogenaamde gestimuleerde Raman-overgang te induceren. In dit proces absorbeert een atoom een ​​foton van de ene straal en wordt vervolgens gestimuleerd om te vervallen door een foton met een iets lagere frequentie van de andere straal, waardoor het atoom in een elektronische doeltoestand wordt geëxciteerd. Met zorgvuldige afstemming van de experimentele parameters konden de onderzoekers de atomen in een 50/50 superpositie van de grondtoestand en de aangeslagen toestand plaatsen. (Het gebruik van een frequentiekam om deze Raman-overgangen in rubidium aan te drijven is eerder aangetoond [3, 4].)

Cruciaal is dat de grondtoestand en de aangeslagen toestand van het doelwit verschillende kinetische energieën hebben, omdat de fotonen die worden geabsorbeerd en uitgezonden in de Raman-overgangen momentumkicks geven. Deze trappen zouden het golfpakket van een aangeslagen atoom op een vrije valbaan sturen die verschilt van die van een grondtoestandatoom. Atomen in de superpositie volgen dus beide banen, die dan weer bij elkaar komen en interfereren.

Solaro en collega’s hebben de interferentie tussen de grond en aangeslagen golfpakketten gemeten door de daaruit voortvloeiende oscillaties in de lichtemissie van de atomen te volgen terwijl het team het frequentieverschil tussen de twee kammen varieerde. Uit deze oscillaties bepaalden ze de zwaartekrachtversnelling g met een precisie van één deel op 105. In een materie-antimaterie vergelijking zou men de waarden van . vergelijken g bepaald voor de twee deeltjestypes, en een discrepantie zou duiden op een schending van zwakke equivalentie.

De precisie die de onderzoekers bereikten is niet zo goed als kan worden verkregen met atoominterferometrie die wordt opgewekt door cw-lasers. Maar cw-lasers kunnen niet worden gebruikt bij XUV-golflengten, waarvoor nu frequentiekammen worden ontwikkeld [5]. De onderzoekers schrijven dat de precisie die in hun meting werd aangetoond, als het zou worden gereproduceerd voor een interferometrisch experiment met antiwaterstof, „zou leiden tot een strenge test van het zwakke equivalentieprincipe met antimaterie.“

De nieuwe techniek „zou de deur kunnen openen voor het introduceren van een meer diverse groep atomen met een groter bereik aan energieschalen voor precisiemetingen in een atoominterferometer“, zegt atoomfysicus Jun Ye van het National Institute of Standards and Technology in Colorado. Hoewel de frequentiekammen in het XUV-gebied die nodig zijn voor interferometrische studies van antiwaterstof nog niet volledig zijn ontwikkeld, zegt optisch fysicus Minhaeng Cho van de Korea University in Seoul dat de inspanningen om ze te produceren momenteel „krachtig“ zijn. Gezien het principe dat door de nieuwe resultaten is vastgesteld, denkt hij dat een dergelijk interferometrisch experiment zeer waarschijnlijk haalbaar is.

– Philip Ball

Philip Ball is een freelance wetenschapsschrijver in Londen. Zijn nieuwste boek is De moderne mythen (Universiteit van Chicago Press, 2021).

Referenties

  1. C. Solaro et al.„Atom interferometer aangedreven door een picoseconde frequentiekam,“ Fys. ds. Let. 129173204 (2022).
  2. M. Kasevich en S. Chu, „Atomaire interferometrie met behulp van gestimuleerde Raman-overgangen,“ Fys. ds. Let. 67 (1991).
  3. Y. Fukuda et al.„Gesynchroniseerde quantum beat-spectroscopie met behulp van periodieke impactexcitaties met CW-modus-vergrendelde laserpulsen,“ opt. gemeenschappelijk. 38 (1981).
  4. C. Solaro et al.„Directe frequentiekam-aangedreven Raman-overgangen in het terahertz-bereik,“ Fys. ds. Let. 120 (2018).
  5. G. Porat et al.„Phase-matched extreem-ultraviolette frequentiekamgeneratie,“ nat. Fotonica 12 (2018).

Vakgebieden

gerelateerde artikelen

Op weg naar onberispelijke atoomoptica
Optiek

Op weg naar onberispelijke atoomoptica

De engineering van zogenaamde Floquet-toestanden leidt tot bijna perfecte atoom-optica-elementen voor materiegolf-interferometers – wat het vermogen van deze apparaten om nieuwe fysica te onderzoeken zou kunnen vergroten. Lees verder „

Microscopische omkeerbaarheid wordt kwantum
Een
Energieonderzoek

Een „groene“ kwantumsensor

Onderzoekers hebben een kwantumsensor gedemonstreerd die zichzelf van stroom kan voorzien met behulp van zonlicht en een magnetisch veld in de omgeving, een prestatie die zou kunnen helpen de energiekosten van deze energieverslindende technologie te verlagen. Lees verder „

Meer artikelen

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert