Лазерный мир

Команда физиков из нескольких университетов США продолжает совершенствовать свой миниатюрный атомный интерферометр. Точность измерений возросла в сотню раз по сравнению с результатами двухлетней давности и впервые позволила измерить гравитационное притяжение атомов к грузику массой всего 190 грамм. Проводился также новый поиск сил, еще более слабых, чем гравитация. Эти гипотетические силы исследователи окрестили «субгравитационными». Результат оказался отрицательным, что позволило существенно усилить ограничения на параметры некоторых теоретических моделей, претендующих на объяснение темной энергии во Вселенной.

В атомном интерферометре происходит нечто очень похожее, но только с атомами (рис. 1). В экспериментах, о которых пойдет речь в этой заметке, исследователи берут облачко из нескольких миллионов атомов цезия и переводят их в определенное электронное состояние, в котором ими удобнее управлять. Атомы затем помещают в магнитооптическую световую решетку, возникающую в пространстве на пересечении лазерных лучей, и охлаждают облачко до температур меньше одного микрокельвина. Плавно ведя решетку вверх, экспериментаторы подкидывают облачко с начальной скоростью примерно полметра в секунду. Оно подлетает на несколько сантиметров, падает назад — и его ловят в ту же самую решетку-ловушку. Такой вот своеобразный эксперимент с подбрасыванием атомов.

Теперь самое важное. Пока облачко находится в свободном полете, в него выстреливают тремя импульсами четко выверенной длительности от двух встречных лазеров (рис. 1, справа). Первый «выстрел» подталкивает атомы, придает им дополнительный импульс вверх. Однако это происходит не со стопроцентной, а с 50-процентной вероятностью. В реальности облачко после этого воздействия переходит в состояние суперпозиции: оно одновременно летит и как раньше, и с дополнительным импульсом. Это аналог полупрозрачного зеркала-расщепителя, которое запускает входящую частицу сразу по двум плечам атомного интерферометра. Только в световом интерферометре эти два пути были разнесены в стороны друг от друга, а здесь — по высоте.

Две «ипостаси» облачка расходятся в пространстве и подлетают на разную высоту. В нужный момент по ним наносят второй удар — и их импульсы меняются. Та часть, что летела вверх, останавливается и начинает падать вниз; та, что только что остановилась, получает дополнительный толчок вверх. Это воздействие — аналог зеркал из рис. 2.

Обе «ипостаси» облачка летят дальше и в какой-то момент снова перекрываются. И тогда по ним наносят третий удар, заставляющий их интерферировать. В результате облачко с какой-то вероятностью окажется в состоянии с тем или другим импульсом, и соотношение между ними — а оно тоже измеряется датчиками — зависит от разности фаз, набежавших на двух траекториях. Эта разность фаз, в свою очередь, линейно зависит от ускорения, которое чувствовали атомы в полете. В отсутствие посторонних воздействий оно равно ускорению свободного падения g в данной точке пространства. Таким образом, измеряя соотношение между показаниями датчиков, можно вычислить локальное ускорение свободного падения в точке проведения эксперимента.

Выходит, что атомный интерферометр может работать как квантовый гравиметр и даже как гравитационный градиометр (см. Gravity gradiometry) — прибор, измеряющий пространственные изменения поля земного притяжения. Первый атомно-интерференционный гравитационный градиометер был продемонстрирован еще в 1998 году. Его современные аналоги способны измерять ускорение свободного падения с относительной точностью в несколько триллионных.

Источник: http://elementy.ru/NOVOSTI_NAUKI/433085/NOVYE_EKSPERIMENTY_S_ATOMNYM_INTERFEROMETROM_ESHCHE_SILNEE_OGRANICHILI_SUBGRAVITATSIONNYE_SILY