در روش جديدي، 30 چگاليده بوز- اينشتين به طور همزمان براي انجام اندازه گيري‌هاي بسيار دقيق استفاده شده است. يك تيم پژوهشي در آلمان با استفاده از حدود 12000 اتم فوق سرد در آرايه‌اي از تله‌ها، آشكارساز حساسي را بوجود آورده است كه از ويژگي‌هاي كوانتومي اتم‌ها بهره مي‌گيرد. اين تيم يك ميدان مغناطيسي را با دقت بالا اندازه‌گيري مي‌كند، اما همين روش مي‌تواند منجر به آزمون‌هاي دقيقي از نسبيت عام شود و يا دقت ساعت‌هاي اتمي را افزايش دهد.

تداخل سنجيِ اتم امكان اندازه‌گيري‌‌هاي حساس از هر آنچه بتواند امواج كوانتومي اتم‌ها را مختل كند، همچون ميدان گرانشي و يا مغناطيسي را فراهم مي‌كند. اين روش به ويژه هنگامي دقيق مي‌شود كه اتم‌ها در چگاليده بوز-اينشتين (BEC) قرار گيرند، حالت فوق سردي كه همه‌ي اتم‌ها در حالت كوانتومي يكساني قرار مي‌گيرند و شبيه به يك موجود كوانتومي منفرد رفتار مي‌كنند.

براي مثال، پژوهش‌گران در اندازه‌گيري يك ميدان مغناطيسي با دقت بالا، مي‌توانند يك بي-اي-سي را در ميدان قرار دهند و فركانس تابش كهموجي را تعيين كنند كه براي تحريك يك گذار اتمي خاص ميان دو حالتِ حساس مغناطيسي لازم است. براي افزايش دقت در چنين آزمايش‌هايي، اندازه‌گيري تعداد اتم‌هاي بيشتر تا حد ممكن، كمك مي‌كند عدم قطعيت كاهش يابد. اما افزايش تعداد اتم‌ها مي‌تواند مشكل آفرين شود. هنگامي‌كه تعداد اتم‌ها در بي-اي-سي با حجم ثابت را افزايش مي‌دهيم، چگالي بالاتر ممكن است سبب شود برخي اتم‌ها جفت شوند و تشكيل مولكول دهند كه حالت بي-اي-سي را از بين مي‌برد. اگر تله را برزگ‌تر كنيم تا چگالي ثابت بماند، كنترل بي-اي-سي مشكل‌تر مي‌شود.

ماركوس برسلر (Markus Oberthaler) و همكارانش در دانشگاه هايدلبرگ آلمان روشي براي غلبه بر اين مشكل يافته‌اند. آن‌ها به جاي ايجاد يك بي-اي-سي بزرگ، تعداد زيادي از كوچك آن را تهيه كرده‌اند. اين چگاليده‌ها در تله اپتيكي قرار گرفته‌اند كه تداخل باريكه‌هاي ليزر يك نوع آرايه چين دار يك بعدي از تله‌هايي با فاصله 5 ميكرومتر از يك‌ديگر را ايجاد مي‌كند. هر چگاليده مستقل از بقيه است، اما همگي را مي‌توان هم‌زمان اندازه‌گيري كرد. اين تيم ، 30 بي-اي-سي را ايجاد كرده است كه هر يك 300 تا 600 اتم روبيديوم- 87 را در بر دارند و تا حدود 10 نانو كلوين سرد شده‌اند.

داشتن تعداد اتم‌هاي بيشتر، عدم قطعيت آماري را كاهش مي‌دهد اما اين تيم دقت اندازه‌گيري هاشان را به كمك روشي به نام فشردگی اسپين (Spin Squeezing) افزايش داده‌اند. اين روش پيش از اين در بي-اي-سي ‌هاي منفرد استفاده شده است [1,2]. فشردگی به معناي كاهش عدم قطعيتِ كوانتومي در يك متغير مانند مكان و در عوض افزايش آن در متغير ديگر، براي مثال تكانه است. اصل عدم قطعيت ايجاب مي‌كند حاصل‌ضرب اين دو بيشتر از مقدار كمينه‌اي شود.

متغيري كه برسلر و همكارانش فشرده اند به اختلاف جمعيتِ اتمي دو حالتِ كوانتومي خاص مربوط مي‌شود كه با a و bنشان داده مي‌شوند. آن‌ها دنباله‌اي از پالس‌هاي كهموج كه به صورت دقيق زمان‌بندي شده‌اند را براي دستكاري حالت‌هاي كوانتومي چگاليده‌ها و توليد فشردگی استفاده كردند. اين تيم سپس چگاليده‌ها را تغيير دادند تا حالت b را به حالت c كه از نظر مغناطيسي حساس است، ببرند. تيم با استفاده از اين عمل ِ تعويض و دقت در اينكه ميدان چگونه فاصله انرژي ميان حالت‌هاي a و cرا مختل مي‌كند، امكان اندازه‌گيري بسيار دقيقي از ميدان مغناطيسي را فراهم كرده‌اند.

پژوهش‌گران دريافتند حساسيت سامانه‌ي ‌آن‌ها براي اندازه‌گيري‌هاي ميدان مغناطيسي به دقت 310 پيكو تسلا است، همچنين آن‌ها گراديان ميدان مغناطيسي 12 پيكو تسلا در ميكرومتر را آشكارسازي كرده‌اند. ولفانگ مسل (Wolfgang Muessel) عضو تيم هايدلبرگ مي‌گويد «مغناطيس‌سنج ما هر دو ويژگي خوب حساسيت ميدان مغناطيسي و تفكيك پذيري فضايي بالا را با هم دارد.» نظر او بر اين است كه «اين‌ها باعث مي‌شود يك سامانه ايده‌آل داشته باشيم با توان ريز بيني ميدان مغناطيسي كه در توصيف ويژگي‌هاي سطح حالت جامد استفاده مي‌شود.» او مي‌افزايد، از آنجا كه حالت‌هاي اتمي نيز مي‌توانند به حركت حساس باشند، اين روش توانايي آزمون‌هاي دقيقي از نسبيت عام و يا آشكارسازي امواج گرانشي را دارد.

مكس رايدل(Max Riedel) مشاوري از زيمنس در مونيخ مي‌گويد «اين آزمايش ِ بسيار چالش بر انگيز به طرز زيبايي اداره و تحليل شده است.» نظر او اين است كه «سامانه‌اي به اين شكل براي اندازه‌گيري گستره وسيعي از گراديان‌ها از ميدان‌هاي DC مغناطيسي تا گراديان فركانس‌هاي راديويي يا كهموج‌ها مناسب خواهد بود.» به دليل دقت مطرح شده توسط اندازه‌گيري همزمان تعداد زيادي اتم ، او مي‌افزايد «اين سامانه اصولاً مي‌تواند با ساعت‌هاي اتمي نيز رقابت كند.» رابرت سوئل (Robert Sewell)از موسسه علوم فوتونيك (Institute of Photonic Sciences) در بارسلوناي اسپانيا بيان مي‌كند كه كار جديد «قدم مهمي به سوي كاربردهاي عملي اين روش‌ها بر مي‌دارد.»

اين تحقيق در فيزيكال ريويو لترز منتشر شده است.

مراجع:

1. C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève, and M. K. Oberthaler, “Nonlinear Atom Interferometer Surpasses Classical Precision Limit,” Nature 464, 1165 (2010).

2. M. F. Riedel, P. Böhi, Y. Li, T. W. Hänsch, A. Sinatra, and P. Treutlein, “Atom-Chip-Based Generation of Entanglement for Quantum Metrology,” Nature 464, 1170 (2010).

منبع:

High-Precision Measurements Using Lots of Cold Atoms

نویسنده: