Natuurkunde – Op weg naar vlekkeloze atoomoptica

    Carlos L. Garrido Alzar

    • Time-Space Reference Systems (SYRTE), Observatorium van Parijs, CNRS, PSL Research University, Sorbonne University, Parijs, Frankrijk

&kogel; Natuurkunde 15, 162

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.

T. Wilkason, M. Nantel, J. Rudolph, Y. Jiang, BE Garber, H. Swan, SP Carman, M. Abe en JM Hogan/Stanford University

Figuur 1: Visualisatie van de evolutie van de kwantumtoestand op de Bloch-bol tijdens een Floquet-atoomopticapuls, die een overgang van de grondtoestand (zuidpool) naar de aangeslagen toestand (noordpool) toont met perfecte efficiëntie. De verschillende kleuren tonen verschillende koppelingssterkten voor een amplitude-gemoduleerde puls, gerangschikt van sterke koppeling (blauw, links) tot zwakke koppeling (paars, rechts).Visualisatie van de evolutie van de kwantumtoestand op de Bloch-bol tijdens een Floquet-atoomopticapuls, die een overgang van de grondtoestand (zuidpool) naar de aangeslagen toestand (noordpool) toont met perfecte efficiëntie. De verschillende kleuren tonen d… Laat meer zien

Sinds het beroemde experiment van Michelson en Morley om de ‚lichtgevende ether‘ te detecteren, heeft optische interferometrie waardevolle hulpmiddelen opgeleverd voor het bestuderen van fundamentele fysica. Tegenwoordig omvatten de allernieuwste toepassingen van de techniek het gebruik ervan als een uiterst nauwkeurige liniaal voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven (zie Focus: The Moon as a Gravitational-Wave Detector) en als platform voor quantum computing (zie Viewpoint: Quantum Leap for Quantum Voorrang). Maar naarmate methoden voor het koelen en beheersen van atomen zijn gevorderd, is er een nieuw soort interferometer beschikbaar gekomen, waarin lichtgolven worden vervangen door materiegolven [1]. Dergelijke apparaten kunnen traagheidskrachten meten met een gevoeligheid die zelfs groter is dan die van optische interferometers [2] en zou nieuwe fysica kunnen onthullen die verder gaat dan het standaardmodel. In een nieuw experiment hebben Jason Hogan en zijn collega’s van de Stanford University een van de obstakels aangepakt die het potentieel van materiegolf-interferometers tot nu toe hebben beperkt: inefficiënte koppeling tussen de atomen die de materiegolven vormen en de lichtpulsen die worden gebruikt om ze te manipuleren [3]. Hun techniek zou kunnen leiden tot interferometers van materiegolven die gevoelig genoeg zijn om fluctuaties in de rotatiesnelheid van de aarde of manifestaties van algemene relativistische effecten te detecteren, zoals de ruimte-tijd „torsie“ die wordt voorspeld door sommige alternatieve theorieën over zwaartekracht.

Of een interferometer nu licht- of materiegolven gebruikt, de gevoeligheid voor traagheidseffecten zoals rotatie hangt af van de afstand tussen de interferometerarmen. In interferometers van materiegolven vereist een grote armscheiding het creëren van coherente superposities van atoommomentumtoestanden, zodat de atomaire golffunctie over grote afstanden kan worden gedelokaliseerd – meestal enkele centimeters. Dergelijke grote armscheidingen leveren een sterke interferometergevoeligheid op ten koste van een lager interferometercontrast, dat wil zeggen signaal-ruisverhouding. Om een ​​hoog contrast te behouden bij grote armscheidingen, worden over het algemeen twee benaderingen gebruikt. Bij beide methoden worden lichtpulsen gebruikt als atoomoptica-elementen om de atomaire banen af ​​te buigen door fotonmomenta over te brengen naar de atomen. De eerste benadering verkrijgt het gewenste interferometercontrast door de grootte van het apparaat te vergroten, zoals bijvoorbeeld wordt gedaan in de ultramoderne koude-atoomgyroscoop met fontein die wordt gebruikt om het Sagnac-effect te meten met een nauwkeurigheid van 25 ppm [4]. De tweede benadering doet dit door het momentum dat door de lichtpulsen naar de atomen wordt overgebracht te maximaliseren [5].

Onderzoekers die de laatste techniek gebruiken, genaamd large momentum transfer (LMT), hebben te maken met een probleem: de atomen in elke arm reizen met verschillende snelheden, waardoor een ontstemmingsfout van de interferometerbundels ontstaat via een differentiële Doppler-verschuiving. De resulterende niet-identieke lichtkoppeling in de twee armen veroorzaakt een contrastverlies. Om dit probleem te verhelpen, gebruiken conventionele LMT-atoomoptica korte, breedbandpulsen om de atomen af ​​te buigen. In deze benadering kan de brede bandbreedte van de pulsen een reeks ontstemmingsfouten opvangen, maar leidt dit tot een verlies aan efficiëntie en contrast. Hogan en collega’s stellen een andere benadering voor waarbij de pulsen ook worden gebruikt om de atoomtoestanden te regelen op een manier die de intrinsieke ontstemmingsfout automatisch corrigeert. Ze laten zien dat de frequentie-ontstemmingen van de interferometerbundels kunnen worden gecompenseerd door de atoom-lichtinteractie te moduleren.

In het bijzonder demonstreert het team een ​​materie-golf-interferometer waarin strontiumatomen oscilleren tussen de EenS0 en 3PEen staten. Door de amplitude van de koppeling tussen de atomen en de interferometerbundels in de te moduleren EenS03PEen optische overgang genereren de onderzoekers een reeks Floquet-toestanden waarop de initiële atomaire momentumtoestand wordt geprojecteerd. De atomen ondergaan een verandering in hun interne toestand terwijl ze tegelijkertijd hun externe toestand veranderen – hun momenta vergroten of verkleinen. Dit proces kan worden gerealiseerd met een getrouwheid van bijna 100%. Hoe is zo’n optreden mogelijk? We kunnen dit proces vanuit twee perspectieven bekijken.

Vanuit het energetisch oogpunt kan men zeggen dat voor een gegeven Doppler-ontstemming van de interferometerbundel, de modulatie een zijband creëert met de frequentie die nodig is om deze ontstemming te compenseren. De modulatie voegt de ontbrekende energie toe die nodig is om aan de resonantievoorwaarde te voldoen. Met andere woorden, de koppelingsmodulatie verbreedt de lichtbundel spectraal over een frequentieband die de Doppler-ontstemming dekt.

Vanuit het oogpunt van kwantumtoestand creëren de auteurs, door de atoom-lichtkoppeling te moduleren, variëteiten van tijdsafhankelijke geklede toestanden die worden gekenmerkt door een goed gedefinieerd aantal modulatie-energiequanta. Door het temporele profiel van de koppeling af te stemmen, kunnen ze vervolgens het atoom-lichtsysteem van het ene spruitstuk naar het andere laten evolueren (figuur 1). Aangezien deze variëteiten, of Floquet-deelruimten, overeenkomen met verschillende momenta of voortplantingssnelheden van de atomen, kan men efficiënt een aanzienlijke hoeveelheid fotonenmomenta naar de atomen overbrengen zonder het contrast van de interferometer te verliezen. Dit is het werkingsprincipe van de Floquet-atoomoptiek.

Als resultaat van dit proces bereiken Hogan en collega’s een grote impulsoverdracht van 400 k— de state-of-the-art in LMT-interferometers instellen — maar met een superieur

~

10% zichtbaarheid aan de rand en een 99,4% efficiënte populatie-inversie van de interferometer-statussen. Hun gedemonstreerde Floquet-atoomoptica biedt dus bijna perfecte coherente toestandsmanipulatie. Vergeleken met andere momenteel gebruikte technieken, maakt deze nieuwe methode een robuuste, flexibele en eenvoudig te implementeren (slechts drie parameters nodig) oplossing mogelijk voor het ontstemmen van foutcorrectie in materiegolfinterferometers met een groot oppervlak. Bovendien kan het op deze manier ontwerpen van de atoom-lichtkoppeling nieuwe perspectieven bieden, bijvoorbeeld bij het beheersen van de impulsoverdracht naar de atomen, zelfs wanneer ze vastzitten in gemoduleerde potentialen [6]engineering decoherentievrije deelruimten voor de verwerking van kwantuminformatie [7]en het uitvoeren van kwantumsimulatie [8].

Referenties

  1. Ch. J. Bordé, „Atomaire interferometrie met interne statuslabeling,“ Fys. Let. EEN 14010 (1989).
  2. Een Peters et al.„Zeer nauwkeurige zwaartekrachtmetingen met behulp van atoominterferometrie“, Metrologie 3825 (2001).
  3. T. Wilkason et al.„Atoominterferometrie met Floquet-atoomoptica,“ Fys. ds. Let. 129183202 (2022).
  4. R. Gautier et al.„Nauwkeurige meting van het Sagnac-effect voor materiegolven,“ Wetenschap. Adv. 8 (2022).
  5. JM McGuirk et al.„Groot gebied licht-puls atoom interferometrie,“ Fys. ds. Let. 854498 (2000).
  6. I. Bouchoules et al.„Beperkingen van de modulatiemethode om de ruwheid van de draadgeleider af te vlakken“, Fys. ds. EEN 77023624 (2008).
  7. C. Chen et al.„Floquet-controle van kwantumdissipatie in spinketens“, Fys. ds. EEN 91052122 (2015).
  8. N. Goldman et al.„Topologische kwantummaterie met ultrakoude gassen in optische roosters,“ nat. Fys. 12639 (2016).

Over de auteur

Afbeelding van Carlos L. Garrido Alzar

Carlos L. Garrido Alzar is universitair hoofddocent bij Time-Space Reference Systems (SYRTE) van het Observatorium van Parijs. Hij behaalde zijn Ph.D. over kwantumoptica aan het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van São Paulo in 2002. Daarna bekleedde hij tot 2005 een positie als assistent-professor aan het Deense National Research Foundation Centre for Quantum Optics van het Niels Bohr Institute in Kopenhagen. Na een postdoctoraal verblijf aan het Institute of Optics Graduate School in Frankrijk, verhuisde hij naar SYRTE. Daar richt zijn huidige onderzoek zich op de ontwikkeling van geleide atoominterferometrie op atoomchips voor compacte traagheidsnavigatietoepassingen.


PDF lezen

Vakgebieden

OpticaAtoom- en moleculaire fysica

gerelateerde artikelen

Frequentiekam meet Quantum Interferentie
Stralend licht op elektronenmicroscopie
Een solide observatie van sterke Kerr-niet-lineariteit

Meer artikelen

Kommentar verfassen

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