Фотография аппарата, используемого в эксперименте. Кварцевую кювету с небольшой линзой можно увидеть в центре изображения. Эта линза была использована для создания оптического пинцета. (Courtesy: L Paul Parazzoli, Sandia National Laboratories)
Атомы интерферируют по одному
Физики в США говорят, что они первые, кто непосредственно наблюдал интерференцию одиночного атома на расстояниях много больше, чем длина его когерентности. В эксперименте использовались оптический пинцет и последовательность лазерных импульсов, "бросающих" атом по двум различным путям, чтобы встретиться примерно через 1 мс. Исследователи утверждают, что если точность эксперимента улучшить, то он может предоставить новые сведения о возможном существовании неньютоновской тяжести на расстоянии микрона. По их мнению, метод может быть также использован для изучения крошечной силы, возникающей между атомом и проводящей поверхностью, то, что получило название "эффект Казимира-Полдера".
В странном мире квантовой механики атом может существовать в виде суперпозиции двух или более траекторий до тех пор, пока не будет измерено его положение или импульс. Это свойство может быть использовано в интерферометре волн материи, в котором - как ни странно это звучит - один атомом может одновременно следовать двумя различными путями к детектору. Воздействия на атом вызовут относительный сдвиг фазы между двумя путями, в результате сдвинется интерференционная картина в том месте, где два пути соединяются.
Такие эксперименты проводились и прежде с большой группой атомов, фактически используя импульсы атомов, движущиеся вдоль того или иного пути. Затем атомы создают интерференционную картину на детекторе, по измерению которой можно определить гравитационную постоянную или искать отклонения от теории тяготения Ньютона. До сих пор, однако, не удалось осуществить интерференцию волн материи, отправив всего один атом через интерферометр, потому что большинство импульсно-интерференционных экспериментов рассчитаны на большое количество проходящих атомов для усиления сигнала на детекторе и, следовательно, не имеющих детерминированного контроля на уровне одиночного атома.
Управление отдельными атомами
Новую методику одноатомной волны материи разработали Пол Паразоли (L Paul Parazzoli), Аарон Ханкин (Aaron Hankin) и Грант Бидерман (Grant Biedermann) в Sandia National Laboratories из Нью-Мексико. Их техника отличается от предыдущих экспериментов тем, что каждый атом начинает и заканчивает свой путь в оптическом пинцете - лазерный луч, сосредоточенный в небольшой области, где находится атом.
Исследователи из Нью-Мексико использовали облако ультрахолодных атомов цезия, оказавшихся в ловушке и охлажденных до 4,2 мкК, при помощи комбинации лазерного излучения и магнитных полей. Затем они создали оптический пинцет в газе, который может держать один атом, перед выстрелом лазерного импульса в атом, для перевода его в определенное квантовое состояние. Оптический пинцет затем выключают, позволяя атому свободно падать.
Двинутый вверх и вниз
Атом затем подвергали воздействию последовательных световых импульсов, разделенных 500 мкс. Первый импульс переводит атом в суперпозицию двух состояний - в, котором атом получил удар фотоном вверх, заставляя его подниматься, и в котором атом падает, поскольку он не получил удар. Второй импульс либо ударяет вниз, движущийся вверх атом, либо ударяет вверх падающий атом - в результате чего две траектории сливаются через 500 мкс после этого, когда третий лазерный импульс приводит к пересечению путей атомов. Как только это происходит, пинцет снова включается и квантовое состояние атома измеряется.
Весь процесс повторяется сотни раз, чтобы определить сдвиг фаз между двумя путями и, следовательно, силу тяжести атома на уровне 3 × 10 -27 Н.
Паразоли, Ханкин и Бидерман смогли увидеть возникающую четкую картину интерференции, когда относительная фаза пульсирующих лазеров была скорректирована, что и стало признаком явления интерференции одиночных атомов. В экспериментах расстояние между двумя состояниями атомов было очень большим - порядка 3,5 мкм, что более чем в 200 раз больше длины когерентности используемых атомов. В результате чего, это дает право исследователям утверждать, что они впервые продемонстрировали интерференцию одиночного атома в "свободном пространстве", подразумевая под свободным пространством тот факт, что атом свободен и его состояния можно разделить в пространстве.
"Это круто!"
Пол Гамильтон (Paul Hamilton) из Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в работе, сказал для physicsworld.com, что исследователи из Нью-Мексико "демонстрируют полномасштабную интерферометрию и показывают очень впечатляющую долгосрочную стабильность". Он также называет эксперимент "действительно «крутым» - прямо таки для учебника по демонстрации интерференции одного атома".
Так как методика работает с одним атомом, исследователи считают, что она может быть использована для чрезвычайно локализованных измерений сил очень близко к поверхности, таких как сила Казимира-Полдера, возникающая между атомом и проводящей поверхностью. Как и более известная сила Казимира, эта сила возникает из энергии нулевых колебаний вакуума и сказывается на проектировании и эксплуатации микронных и наноразмерных механических устройств.
Исследователи также утверждают, что если чувствительность метода может быть повышена на два порядка величины, она может быть использована для установления новых ограничений на теории неньютоновских гравитаций на микронных масштабах. С другой стороны, если сила тяжести не является ньютоновской на таких крошечных расстояниях, то это может предоставить важную информацию о том, как теория гравитации может быть объединена со Стандартной моделью физики элементарных частиц. "Этот тип интерферометре прошел абсолютную калибровку в других случаях, характеризуя его как очень полезный для обнаружения отклонений от закона обратных квадратов на микронных масштабах", говорит Паразоли.