Un interferómetro atómico es un tipo de interferómetro que utiliza la naturaleza ondulatoria de los átomos para producir interferencia. En los interferómetros atómicos, los roles 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) en lugar de luz. En este sentido, los interferómetros atómicos son el análogo de ondas de materia de los interferómetros de doble rendija, Michelson-Morley o Mach-Zehnder que se utilizan habitualmente para la luz.
Los interferómetros atómicos miden la diferencia de fase adquirida por las ondas de materia atómicas que recorren diferentes trayectorias. Las ondas de materia pueden controlarse y manipularse mediante sistemas de láseres. Se han utilizado en pruebas de física fundamental, incluyendo mediciones de la constante gravitacional, la constante de estructura fina y el principio de equivalencia (universalidad de la caída libre). Entre sus aplicaciones se incluyen acelerómetros, sensores de rotación y gradiómetros de gravedad.
Descripción general La interferometría divide una onda en una superposición a lo largo de dos trayectorias diferentes. Un potencial dependiente espacialmente o una interacción local diferencia las trayectorias, introduciendo una diferencia de fase entre las ondas. Los interferómetros atómicos utilizan ondas de materia del centro de masa con una longitud de onda de De Broglie corta. Se han propuesto experimentos con moléculas para buscar los límites de la mecánica cuántica aprovechando las longitudes de onda de De Broglie más cortas de las moléculas.
Historia La interferencia de ondas de materia atómica fue observada por primera vez por Immanuel Estermann y Otto Stern en 1930, cuando un haz de sodio (Na) fue difractado por una superficie de cloruro de sodio (NaCl).
El primer interferómetro atómico moderno reportado fue un experimento de doble rendija con átomos de helio metaestables y una doble rendija microfabricada por O. Carnal y Jürgen Mlynek en 1991, y un interferómetro que utilizaba tres rejillas de difracción microfabricadas y átomos de Na en el grupo de David E. Pritchard en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
Poco después, una versión óptica de un espectrómetro Ramsey típicamente utilizado en relojes atómicos fue reconocida también como un interferómetro atómico en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Braunschweig, Alemania. La mayor separación física entre los paquetes de ondas parciales de átomos se logró utilizando técnicas de enfriamiento láser y transiciones Raman estimuladas por Steven Chu y sus colaboradores en la Universidad de Stanford.
En 1999, investigadores de la Universidad de Viena informaron sobre la difracción de fullerenos C60. Los fullerenos son objetos relativamente grandes y masivos, con una masa atómica de aproximadamente 720 Da. 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 pudieron extenderse a moléculas de ftalocianina y sus derivados más pesados, compuestos por 58 y 114 átomos respectivamente.
En 2003, el grupo de Viena también demostró la naturaleza ondulatoria de la tetrafenilporfirina —un biocolorante plano con una extensión de aproximadamente 2 nm y una masa de 614 Da— empleando un interferómetro Talbot-Lau de campo cercano. En el mismo interferómetro también encontraron franjas de interferencia para C60F48, un buckminsterfullereno fluorado con una masa de aproximadamente 1600 Da, compuesto por 108 átomos. Las moléculas grandes son ya tan complejas que permiten el acceso experimental a ciertos mecanismos de decoherencia cuántica.
En 2011, se demostró la interferencia de moléculas tan pesadas como 6910 Da en un interferómetro de Kapitza-Dirac-Talbot-Lau. En 2013, se demostró la interferencia de moléculas con masas superiores a 10 000 Da.
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. Más recientemente, los interferómetros atómicos han comenzado a salir de las condiciones de laboratorio para abordar aplicaciones en entornos del mundo real.
Tipos de interferómetros miniaturadeimagen|Una trampa magneto-óptica compacta, el primer paso para generar un interferómetro atómico.
Si bien el uso de átomos ofrece acceso a frecuencias más altas (y por tanto mayor precisión) que la luz, los átomos poseen masa y se mueven más lentamente; por lo tanto, se ven afectados de manera más notable por la gravedad en comparación con los haces de luz. En algunos aparatos, los átomos se expulsan hacia arriba y la interferometría se lleva a cabo durante el vuelo o la caída libre. En otros experimentos, los efectos gravitacionales no se anulan; se utilizan fuerzas adicionales para compensar la gravedad. Estos sistemas guiados pueden proporcionar largos tiempos de medición, siempre que se preserve la coherencia cuántica.
Los primeros interferómetros atómicos empleaban rendijas o cables como divisores de haz y espejos. Los sistemas posteriores, especialmente los guiados, utilizan fuerzas de la luz para dividir y reflejar la onda de materia.
Interferómetro atómico de pulsos de luz Una técnica prototípica para la interferometría atómica involucra dividir, reflejar y recombinar ondas de materia atómica utilizando pulsos de luz. Esta técnica también se llama interferómetro atómico de Kasevich-Chu. Este método emplea haces de luz que se propagan en direcciones opuestas y producen transiciones entre dos estados cuánticos etiquetados como y . Ambos láseres están sintonizados fuera de resonancia del estado excitado por una frecuencia Δ para evitar la excitación resonante y el calentamiento de los átomos.
Además de cambiar el estado de espín del átomo, la transición Raman contrapropagada proporciona un impulso de momento a uno de los componentes. En una base de espín-momento, un pulso de luz Raman que interactúa con un átomo produce una transición entre y . Aplicar un pulso (ver interferómetro de Ramsey) de luz a produce el estado entrelazado .
El interferómetro se forma mediante tres pulsos Raman en una configuración – – separada por un tiempo común de no interacción . Este esquema es análogo a un interferómetro de Mach-Zehnder para la luz: el primer pulso divide la onda de materia en dos trayectorias diferentes, el segundo pulso refleja los paquetes entre sí, y el pulso final recombina la onda de materia. El estado medido después de la secuencia depende de la diferencia de fase total acumulada a lo largo de las dos trayectorias, produciendo una probabilidad final de estar en uno de los estados:
donde es la visibilidad o el contraste de la franja del interferómetro. Dado que la onda de materia está en caída libre con respecto a la gravedad, la diferencia de fase depende de la aceleración gravitatoria como:
donde es cualquier diferencia de fase adicional del haz láser Raman que surge entre los pulsos de luz.
La sensibilidad del interferómetro a las fuerzas gravitacionales o inerciales depende de: El área espacio-temporal encerrada por el interferómetro, que aumenta con valores mayores de . La estabilidad de fase relativa de los haces Raman que se propagan en direcciones opuestas. El número de átomos en el conjunto frío y atrapado que completan el interferómetro. Una mayor fracción de átomos participantes aumenta . Debido al efecto Doppler, los átomos con temperatura finita pueden no experimentar exactamente pulsos Raman de o .
Tabla de tipos de interferómetros atómicos + Comparación de diferentes tipos de interferómetros atómicos Tipo Principio de funcionamiento Divisores de haz Aplicaciones típicas Rejillas materiales Difracción por rejillas microfabricadas Rendijas o rejillas nanofabricadas Mediciones de polarizabilidad, índice de refracción Talbot-Lau Difracción por rejillas múltiples (campo cercano) Rejillas de difracción Interferometría de moléculas grandes Pulsos de luz (Raman) Transiciones Raman estimuladas con pulsos láser Pulsos láser contrapropagados Gravímetros, giroscopios, pruebas de física fundamental Ramsey-Bordé Espectroscopía óptica de Ramsey Campos de luz oscilantes Mediciones de constante de estructura fina, efecto Sagnac
Ejemplos de experimentos notables + Desarrollo histórico de interferómetros atómicos Grupo Año Especies atómicas Método Efecto(s) medido(s) Pritchard 1991 Na, Na2 Rejillas nanofabricadas Polarizabilidad, índice de refracción Clauser 1994 K Interferómetro de Talbot-Lau — Zeilinger 1995 Ar Rejillas de difracción de ondas de luz estacionarias — Helmcke, Bordé 1991 — Ramsey-Bordé Polarizabilidad, efecto Aharonov-Bohm (teo/exp 0,99±0,022), efecto Sagnac (0,3 rad/s/√Hz) Chu 1991, 1998 Na, Cs Interferómetro de Kasevich-Chu, difracción Raman de pulsos de luz Gravímetro (3×10−10), constante de estructura fina (α ± 1,5×10−9) Kasevich 1997, 1998 Cs Difracción Raman de pulsos de luz Giroscopio (2×10−8 rad/s/√Hz), gradiómetro Müller 2018 Cs Interferómetro de Ramsey-Bordé Constante de estructura fina (α ± 2×10−10)
Aplicaciones
Física gravitacional En 2009, Holger Müller, Achim Peters y Steven Chu realizaron una medición precisa del corrimiento al rojo gravitacional. No se encontraron violaciones de la relatividad general hasta 7×10−9.
En 2020, Peter Asenbaum, Chris Overstreet, Minjeong Kim, Joseph Curti y Mark A. Kasevich utilizaron interferometría atómica para probar el principio de equivalencia en la relatividad general. No encontraron violaciones hasta aproximadamente 10−12.
La sensibilidad de un interferómetro atómico a influencias externas generalmente mejora a medida que aumenta el tiempo de separación de la onda de materia. Por lo tanto, los interferómetros de caída libre de alta sensibilidad requieren grandes distancias de caída. Por ejemplo, el experimento MAGIS-100 en Fermilab emplea una torre de caída de 100 metros, con el objetivo de detectar ondas gravitacionales y materia oscura ultraligera, que se sabe que interactúa con la materia ordinaria solo a través de la gravedad.
Los interferómetros atómicos espaciales pueden ser más sensibles a las ondas gravitacionales débiles que los observatorios terrestres como LIGO.
Navegación inercial Los giroscopios de interferómetro atómico (AIG) y los giroscopios de espín atómico (ASG) utilizan la interferometría atómica —o el espín atómico en el segundo caso— para detectar la rotación. Ambos presentan tamaño compacto, alta precisión y la posibilidad de fabricarse a escala de chip.
Véase también Interferómetro de electrones Interferómetro de Ramsey
Referencias
Enlaces externos Berman, P. R. (Ed.). (1997). Atom Interferometry. Academic Press. (Descripción detallada de los interferómetros atómicos, con buenas introducciones y teoría). Revisión de Stedman sobre el efecto Sagnac
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