ساخت و توضیح تداخل‌سنج تک ذره‌ای که دری به سوی کاربردهای گسترده از پژوهش‌های مربوط به گرانش گرفته تا فیزیک برخورد سطحی باز می‌کند.

از روزهای آغازین توسعه علم مکانیک کوانتوم، تداخل‌های موج-ماده با مفاهیم پیچیده آن فیزیک‌دانان زیادی را مجذوب خود کرده است. امروز ما می‌توانیم باریکه‌ای از الکترون‌ها، نوترون‌ها، اتم‌ها یا حتی در مقیاس گروه‌های بزرگتر به طور همدوس با هم ترکیب کنیم یا به باریکه‌های کوچکتری بشکافیم و آن‌ها را وادار به تداخل کنیم. مطالعه این تداخل‌‌ها طیف گسترده‌ای از کاربردها را به دنبال داشته است، از مطالعه گرانش در فیزیک بنیادی گرفته تا کاربردهایی نظیر مکان‌یاب جهانی و ژئودزی. هم‌چنین بخشی از تحقیقاتی که جایزه نوبل امسال را به خود اختصاص داده، ایجاد کرده است (خبر 12 اکتبر 2012 را ببینید). روش‌های معمول شامل عملکرد یک تداخل‌سنج به وسیله  منبع‌هایی است که شار نسبتاً بزرگی از ذرات را تولید می‌کنند تا سیگنال را افزایش دهند در حالی که اثر ساچمه‌ای کاهش می‌یابد. به این دلیل و دلایلی دیگر هنوز بسیاری تصور می‌کنند پرتوهای همدوس بر مبنای متغیرهای آماری شکافته می‌شوند.

یک اتم از یک تله اپتیکی رها شده، با گذشت زمان در یکی از دومسیر متفاوتی که وجود دارد،  در بالای یک سطح فلزی حرکت می‌کند. در اینجا آزمایش به منظور اندازه‌گیری اثر کازیمیر-پولدر است. پس از آشکارسازی، ذره در یک درگاه خاتمه می‌یابد.

 با این وجود مکانیک کوانتوم به ما می‌آموزد که می‌توان یک تداخل‌سنج با ذرات منفرد را به جای باریکه‌ای از آن‌ها بکار برد، چون ذرات می‌توانند با خودشان تداخل کنند [1,2]. اکنون در مجله Physical Review Letters گزارشی منشر شده است مبنی بر آن‌که پل پارازولی و همکارانش [3] در آزمایشگاه ملی ساندیا، نیو‌مکزیکو، طرح جدیدی برای یک تداخل‌سنج بدست آورده‌اند که کنترل تک‌ذره را در یک تداخل‌سنج اتمیِ فضا-‌آزاد شرح می‌دهد (شکل 1). اصل اتم‌های خود-تداخل درون تله توضیح داده شده است [4] با این وجود هنوز توضیحی برای این اثر در یک تداخل‌سنج فضا-‌آزاد گزارش نشده است.

تداخل‌سنجی که توسط پارازولی و همکارانش ساخته شده، یک روش جدید برای سنجش نیروهای کوچک با اجسام موضعی به کمک اندازه‌گیری‌های مبتنی بر موج نشان می‌دهد. توانایی اندازه‌گیری این نیروها نتیجه مستقیم هندسه فضا-آزاد است که در آن از یک ذره در حال سقوط آزاد به عنوان عنصر سنجش استفاده می‌شود.  این روش هم‌چنین یک آزمایش زیبای تداخل را نشان می‌دهد که توسط ذره منفرد ایجاد می‌شود.

هنگام خنک‌سازی مجموعه، آن‌ها دستگاه را به حالت تله دو قطبی با تمرکز زیاد در محدوده وضوح اپتیکی تغییر می‌دهند [5]. آن‌ها از یک طول موج به اصطلاح جادویی [6] استفاده می‌کنند که در آن اثر استارک دینامیکی القا شده به وسیله لیزر تله‌اندازی برای هر دو حالت پایه و برانگیخته‌ی بکار رفته در سرمایش لیزری یکسان است. این روش سرمایش را در مقابل توزیع شدت گاوسی تله به کارآمدی فضای آزاد قرار می‌دهد. تمرکز بالای آن به کاهش تعداد اتم‌های به تله افتاده و هم‌چنین خاتمه یافتن کار با تک‌ذره به شیوه‌ای قابل اطمینان کمک می‌کند.

این تداخل سنج انعطاف‌پذیر است. امروز مفهوم گسترده برای یک تداخل‌سنج اتمی توسط کریستین ورد، مارک کازویچ و استیون چو ابداع شده است [7,8]. در این روش برهم‌نهی حالت‌های تکانه هر اتم به وسیله سوق دادن حالت‌های داخلی آن با پرتوهای لیزری وارونه از نوع ریمن (فرآیند دو فوتونی) ایجاد می‌شود. تداخل‌سنج بکار رفته توسط این گروه شامل سه پالس ریمن است. بسته به نوع پالس، ذره می‌تواند به دو صورت خاتمه ‌یابد. 1) در حالت برهم‌نهی متحرک با اندازه حرکت اولیه و در همان زمانی که به وسیله اندازه حرکت پس‌زنی دو فوتون منحرف می‌شود. 2) فقط تحت تاثیر اندازه حرکت پس‌زنی دو فوتون منحرف شود.

با این فرآیندها می‌توان شکافنده‌های پرتوها و آینه‌ها را برای اتم‌ها تشخیص داد و آن‌ها را در یک تداخل‌سنجی که به اصطلاح ماخ-زندر نامیده می‌شود، ترکیب کرد. این تداخل‌سنج از سه پالس متوالی ریمن ساخته شده است، A-B-A، عناصر اپتیکی را نشان می‌دهند که در دنبال می‌آیند: یک شکافنده پرتو، یک آینه و یک شکافنده پرتو دیگر. دو موج با یکدیگر بازترکیب شده و دو درگاه خروجی را تشکیل می‌دهند. بسته به فاز نسبی انباشته شده در امتداد دو مسیر، اتم‌ها با احتمال معینی در یکی از دو درگاه خروجی تداخل‌سنج خاتمه می‌یابند. الگوی تداخل با انجام مکرر آزمایش آشکار می‌شود.

دمای اتم از طول همدوسی می‌تواند استنباط شود. به منظور تعیین طول همدوسی ذره در تداخل‌سنج ماخ-زندر ، آن‌ها اختلاف طول مسیر بین دو بازوی تداخل‌سنج را تغییر دادند [9]. برای این کار آن‌ها زمان بین پالس لیزری اول و دوم و هم‌چنین دوم و سوم را تغییر دادند. در هر درگاه خروجی این تداخل‌سنج نامتقارن، دو بسته موج نمایان می‌شود و بر طبق تفاوت طول مسیرشان از یکدیگر جدا می‌شوند. زمانی که این تفاوت بیشتر از طول همدوسی باشد، تمایز سیگنال تداخل از بین می‌رود و میانگین‌گیری آزمایش‌های بسیار، جمعیت یکسان در هر دو درگاه خروجی را نتیجه می‌دهد. طول همدوسی برای اتم‌های حرارتی، به واسطه رابطه بروگلی ارتباط مستقیمی با سرعت انبساط ابر دارد. و بنابراین اندازه‌ای برای دمای آماری اتم‌ها در حین آزمایش به‌دست می‌دهد.

این پژوهشگران هم‌چنین تداخل‌سنج خود را به منظور اندازه‌گیری شتاب گرانش اتمی که در حال سقوط آزاد است، به‌کار گرفته اند و به این ترتیب می‌توانند حساسیت دستگاهشان را نسبت به اندازه‌گیری یک نیرو بررسی کنند. بعلاوه، آن‌ها موارد جالب دیگری را برای بهره‌برداری از ویژگی‌های موجی ذرات منفرد پیش‌بینی می‌کنند مانند اندازه‌گیری اثر کازیمیر-پولدر که بین اتم‌های نزدیک یک سطح اتفاق می‌افتد ‌[10] یا اندازه‌گیری گرانش در فواصل نزدیک [11]. روش آن‌ها با وضوح فضایی بالایی که دارد می‌تواند برای تجزیه‌ و تحلیل  برهم‌کنش‌های بین ذرات و سطوح و هم‌چنین انجام اپتیک کوانتومی اتمی مناسب باشد. برای این منظور آن‌ها ترکیب روش‌های دیگری را پیشنهاد می‌کنند تا حساسیت دستگاه خود را افزایش دهند. مطمئناً با دست یافتن به تداخل‌سنج تک‌ذره‌ای، آن‌ها این کار را با افزایش تعداد اتم‌ها انجام نمی‌دهند. به جای آن، از سرمایش بیشتر و روش آشکارسازی غیرمخرب استفاده می‌کنند. تداخل‌های بدست آمده با این روش که در آن اغلب از ذره منفرد آشکارسازی شده دوباره استفاده می‌شود، بسیار جالب توجه است به ویژه در آزمایش‌های مشابه نور روی فوتون‌های منفرد که در آزمایش‌های غیرمخرب دوباره استفاده می‌شوند.

منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/135

مراجع

1. A. Tonomura, J. Endo, T. Matsuda, T. Kawasaki, and H. Ezawa, “Demonstration of Single-Electron Buildup of an Interference Pattern,” Am. J. Phys. 57, 117 (1989).
2. H. Rauch, W. Treimer, and U. Bonse, “Test of a Single Crystal Neutron Interferometer,” Phys. Lett. A 47, 369 (1974).
3. L. P. Parazzoli, A. M. Hankin, and G. W. Biedermann, “Observation of Free-Space Single-Atom Matter Wave Interference,” Phys. Rev. Lett. 109, 230401 (2012).
4. C. Monroe, D. M. Meekhof, B. E. King, and D. J. Wineland, “A Schrödinger Cat Superposition State of an Atom,” Science 272, 1131 (1996).
5. S. J. M. Kuppens, K. L. Corwin, K. W. Miller, T. E. Chupp, and C. E. Wieman, “Loading an Optical Dipole Trap,” Phys. Rev. A 62, 013406 (2000).
6. Y.-N. Zheng, X.-J. Zhou, J.-B. Chen, X.-Z. Chen, “Magic Wavelength for Caesium Transition Line 6S1/2–6P3/2” Chinese Phys. Lett. 23, 1687 (2006).
7. M. Kasevich and S. Chu, “Atomic Interferometry Using Stimulated Raman Transitions,” Phys. Rev. Lett. 67, 181 (1991).
8. Ch. J. Bordé, “Atomic Interferometry with Internal State Labeling,” Phys. Lett. A 140, 10 (1989).
9. B. Saubaméa, T. W. Hijmans, S. Kulin, E. Rasel, E. Peik, M. Leduc, and C. Cohen-Tannoudji, “Direct Measurement of The Spatial Correlation Function of Ultracold Atoms,” Phys. Rev. Lett. 79, 3146 (1997).
10. J. M. McGuirk, D. M. Harber, J. M. Obrecht, and E. A. Cornell, Phys. Rev. A 69, 062905 (2004).
11. P. Wolf, P. Lemonde, A. Lambrecht, S. Bize, A. Landragin, and A. Clairon, “From Optical Lattice Clocks to the Measurement of Forces in the Casimir regime,” Phys. Rev. A 75, 063608 (2007).