Atom interferometrie is de meest gevoelige bekende techniek voor het meten van zwaartekrachten en traagheidskrachten zoals versnelling en rotatie. Het is een steunpilaar van wetenschappelijk onderzoek en wordt gecommercialiseerd als een middel voor het volgen van locaties in omgevingen waar GPS niet beschikbaar is. Het is ook extreem gevoelig voor elektrische velden en is gebruikt om minutieuze metingen te doen van de fundamentele elektrische eigenschappen van elementen.

De meest gevoelige atoominterferometers gebruiken exotische toestanden van materie die Bose-Einstein-condensaten worden genoemd. In het laatste nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , MIT-onderzoekers presenteren een manier om atoominterferometrie met Bose-Einstein-condensaten nog nauwkeuriger te maken, door het elimineren van een bron van fouten die endemisch is voor eerdere ontwerpen.

Interferometers die het nieuwe ontwerp gebruiken, kunnen helpen bij het oplossen van enkele fundamentele vragen in de natuurkunde, zoals de aard van de tussentoestanden tussen de kwantumbeschrijving van materie, die op zeer kleine schaal heerst, en de Newtoniaanse beschrijving waarvan de dagelijkse techniek afhankelijk is.

"Het idee hier is dat Bose-Einstein-condensaten eigenlijk behoorlijk groot zijn, " zegt William Burton, een MIT-afgestudeerde student natuurkunde en eerste auteur van het papier. "We weten dat hele kleine dingen kwantum werken, maar dan handelen grote dingen zoals jij en ik niet erg kwantum. Dus we kunnen zien hoe ver we een kwantumsysteem uit elkaar kunnen rekken en het toch coherent laten werken als we het weer bij elkaar brengen. Het is een interessante vraag."

Bij Burton op het papier staan ​​zijn adviseur, hoogleraar natuurkunde Wolfgang Ketterle, die in 2001 de Nobelprijs voor natuurkunde won voor zijn baanbrekende werk aan Bose-Einstein-condensaten, en vier andere leden van het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, die Ketterle regisseert.

Condensaat snijden

Bose-Einstein-condensaten zijn clusters van atomen die, wanneer afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, ze bewonen allemaal precies dezelfde kwantumtoestand. Dit geeft ze een aantal ongebruikelijke eigenschappen, onder hen extreme gevoeligheid voor verstoring door krachten van buitenaf.

Een gebruikelijke benadering voor het bouwen van een Bose-Einstein condensaat-interferometer omvat het ophangen van een wolk van atomen - het condensaat - in een kamer en er vervolgens een laserstraal in afvuren om een ​​'staande golf' te produceren. Als een golf wordt gezien als een kronkel met regelmatige dalen en toppen, dan wordt een staande golf geproduceerd wanneer een golf precies is uitgelijnd met zijn reflectie. De nulpunten - de overgangspunten tussen dal en top - van de golf en zijn reflectie zijn identiek.

De staande golf verdeelt het condensaat in ongeveer even grote clusters van atomen, elk zijn eigen condensaat. In het experiment van de MIT-onderzoekers, bijvoorbeeld, de staande golf verdeelt over 20, 000 rubidium-atomen in 10 groepen van ongeveer 2, 000, elk opgehangen in een "put" tussen twee nulpunten van de staande golf.

Wanneer krachten van buitenaf op het condensaat werken, de laserval zorgt ervoor dat ze niet bewegen. Maar als de laser is uitgeschakeld, de condensaten zetten uit, en hun energie weerspiegelt de krachten waaraan ze werden onderworpen. Een licht schijnen door de wolk van atomen produceert een interferentiepatroon waaruit die energie, en dus de kracht die de condensaten ervoeren, kan worden berekend.

Deze techniek heeft de meest nauwkeurige metingen van gravitatie- en traagheidskrachten opgeleverd. Maar het heeft één probleem:de verdeling van het condensaat in afzonderlijke clusters is niet perfect gelijkmatig. Een bron van de staande golf kan bevatten, zeggen, 1, 950 atomen, en die ernaast 2, 050. Deze onbalans levert verschillen in energie op tussen putten die fouten introduceren in de uiteindelijke energiemeting, de nauwkeurigheid ervan beperken.

Evenwichtsoefening

Om dit probleem op te lossen, Burton, Ketterle, en hun collega's gebruiken niet één maar twee condensaten als uitgangspunt voor hun interferometer. Naast het opvangen van de condensaten met een laser, ze onderwerpen ze ook aan een magnetisch veld.

Beide condensaten bestaan ​​uit rubidiumatomen, maar ze hebben verschillende "spins, " een kwantumeigenschap die hun magnetische uitlijning beschrijft. De staande golf scheidt beide groepen atomen, maar slechts één van hen - de spin-down atomen - voelt het magnetische veld. Dat betekent dat de atomen in de andere groep - de spin-up atomen - vrij kunnen bewegen van bron naar bron van de staande golf.

Aangezien een relatieve overmaat aan spin-down atomen in één put het een lichte boost in energie geeft, het zal enkele van zijn spin-up atomen in de naburige bronnen stoten. De spin-up atomen schudden zich rond de staande golf totdat elke put exact hetzelfde aantal atomen heeft. Aan het einde van het proces, wanneer de energieën van de atomen worden uitgelezen, de spin-up atomen corrigeren de onevenwichtigheden tussen spin-down atomen.

Bose-Einstein-condensaten zijn interessant omdat ze relatief grootschalige kwantumeffecten vertonen, en kwantumbeschrijvingen van fysieke systemen weerspiegelen in het algemeen de dualiteit van golven en deeltjes - het feit dat, op voldoende kleine schaal, materie zal gedrag vertonen dat kenmerkend is voor zowel deeltjes als golven. De condensaten in de experimenten van de MIT-onderzoekers kunnen dus worden gezien als golven, met hun eigen golflengten, amplitudes, en fasen.

Om atoominterferometrie te doen, de clusters van atomen die door de laser worden gevangen, moeten allemaal in fase zijn, wat betekent dat de dalen en toppen van hun golven zijn uitgelijnd. De onderzoekers toonden aan dat hun "afschermings"-methode de condensaten veel langer in fase hield dan voorheen mogelijk was, wat de nauwkeurigheid van atoominterferometrie zou moeten verbeteren.

"Een van de grote verwachtingen voor Bose-Einstein-condensaten [BEC's], die werd benadrukt in de Nobel-citatie, was dat ze zouden leiden tot aanvragen, " zegt Dominik Schneble, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Stony Brook University. "En een van die toepassingen is atoominterferometrie."

"Maar interacties tussen BEC's leiden in feite tot defasering, die niet goed te controleren zijn, " zegt Schneble. "Eén benadering is geweest om de interacties uit te schakelen. In bepaalde elementen, men kan dit heel goed. Maar het is geen universele eigenschap. Wat ze in deze krant doen, is dat ze zeggen:'We accepteren het feit dat de interacties er zijn, maar we gebruiken interacties zodanig dat het niet alleen geen probleem is, maar ook andere problemen oplost.' Het is erg elegant en erg slim. Het past als een natuurlijke handschoen bij de situatie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.