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Interferômetro atômico

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Um interferômetro atômico utiliza a natureza ondulatória dos átomos para produzir interferência. Nos interferômetros atômicos, os papéis da matéria e da luz são invertidos em comparação com os interferômetros baseados em laser, ou seja, o divisor de feixe e os espelhos são lasers, enquanto a fonte emite ondas de matéria (os átomos) em vez de luz. Os interferômetros atômicos medem a diferença de fase entre ondas de matéria atômica ao longo de diferentes trajetos. As ondas de matéria são controladas e manipuladas utilizando sistemas de lasers.[1] Os interferômetros atômicos têm sido utilizados em testes de física fundamental, incluindo medições da constante gravitacional, da constante de estrutura fina e da universalidade da queda livre. Usos aplicados dos interferômetros atômicos incluem acelerômetros, sensores de rotação e gradiômetros de gravidade.[2]

Visão Geral

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Interferometria divide uma onda em uma superposição ao longo de dois trajetos diferentes. Um potencial espacialmente dependente ou uma interação local diferencia os trajetos, introduzindo uma diferença de fase entre as ondas. Os interferômetros atômicos utilizam ondas de matéria de centro de massa com curta comprimento de onda de Broglie.[3][4] Experimentos utilizando moléculas foram propostos para buscar os limites da mecânica quântica, aproveitando os comprimentos de onda de De Broglie mais curtos das moléculas.[5]

Tipos de Interferômetro

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Uma compacta Armadilha Magneto-óptica, o primeiro passo na geração de um interferômetro atômico

Embora o uso de átomos ofereça acesso fácil a frequências mais altas (e, portanto, maior precisão) do que a luz, os átomos são muito mais fortemente afetados pela gravidade. Em alguns aparelhos, os átomos são ejetados para cima e a interferometria ocorre enquanto os átomos estão em voo, ou enquanto caem em voo livre. Em outros experimentos, os efeitos gravitacionais pela aceleração livre não são negados; forças adicionais são usadas para compensar a gravidade. Embora esses sistemas guiados, em princípio, possam fornecer quantidades arbitrárias de tempo de medição, sua coerência quântica ainda está em discussão. Estudos teóricos recentes indicam que a coerência é de fato preservada nos sistemas guiados, mas isso ainda precisa ser confirmado experimentalmente.

Os primeiros interferômetros atômicos utilizavam fendas ou fios para os divisores de feixe e espelhos. Sistemas posteriores, especialmente os guiados, usavam forças de luz para dividir e refletir a onda de matéria.[6]

Exemplos

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Grupo Ano Espécie atômica Método Efeito(s) medido(s)
Pritchard 1991 Na, Na2 Grades de difração nano-fabricadas Polarizabilidade, índice de refração
Clauser 1994 K Interferômetro Talbot-Lau
Zeilinger 1995 Ar Grades de difração de onda de luz estacionária
Helmke
Bordé 		1991 Ramsey–Bordé Polarizabilidade,
Efeito Aharonov–Bohm: exp/teo ,
Efeito Sagnac 0.3 rad/s/Hz
Chu 1991
1998 		Na
Cs 		Interferômetro Kasevich - Chu
Pulso de luz por difração Raman 		Gravímetro:
Constante de estrutura fina:
Kasevich 1997
1998 		Cs Pulso de luz por difração Raman Giroscópio: rad/s/Hz,
Gradiômetro:
Berman Talbot-Lau
Mueller 2018 Cs Interferômetro Ramsey-Bordé Constante de estrutura fina:

História

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A interferência das ondas de matéria atômicas foi observada pela primeira vez por Immanuel Estermann e Otto Stern em 1930, quando um feixe de sódio (Na) foi difratado em uma superfície de cloreto de sódio (NaCl).[7] O primeiro interferômetro atômico moderno relatado foi um experimento da dupla fenda com átomos de hélio metastáveis e uma dupla fenda microfabricada por O. Carnal e Jürgen Mlynek em 1991,[8] e um interferômetro utilizando três grades de difração microfabricadas e átomos de Na no grupo ao redor de David E. Pritchard no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).[9] Pouco depois, uma versão óptica de um espectrômetro de Ramsey, tipicamente usado em relógios atômicos, também foi reconhecida como um interferômetro atômico no Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) em Braunschweig, Alemanha.[10] A maior separação física entre os pacotes de ondas parciais de átomos foi alcançada utilizando técnicas de resfriamento a laser e transições Raman estimuladas por Steven Chu e seus colegas na Universidade de Stanford.[11]

Em 1999, a difração de C60 fullerenos por pesquisadores da Universidade de Viena foi relatada.[12] Os fullerenos são objetos comparativamente grandes e massivos, com uma massa atômica de cerca de 720 u. O comprimento de onda de Broglie do feixe incidente era de cerca de 2,5 pm, enquanto o diâmetro da molécula é de cerca de 1 nm, aproximadamente 400 vezes maior. Em 2012, esses experimentos de difração a campo distante puderam ser estendidos para moléculas de ftalocianina e seus derivados mais pesados, que são compostos por 58 e 114 átomos, respectivamente. Nestes experimentos, o desenvolvimento de tais padrões de interferência pôde ser registrado em tempo real e com sensibilidade a moléculas individuais.[13]

Em 2003, o grupo de Viena também demonstrou a natureza ondulatória do tetrafenilporfirina[14] —um corante biológico plano com uma extensão de cerca de 2 nm e uma massa de 614 u. Para esta demonstração, utilizaram um interferômetro Talbot-Lau a campo próximo.[15][16] No mesmo interferômetro, também encontraram franjas de interferência para C60F48, uma buckyball fluoretada com uma massa de cerca de 1600 u, composta por 108 átomos.[14] Moléculas grandes são já tão complexas que proporcionam acesso experimental a alguns aspectos da interface quântico-clássica, ou seja, a certos mecanismos de decoerência.[17][18] Em 2011, a interferência de moléculas com massa de até 6910 u foi demonstrada em um interferômetro Kapitza–Dirac–Talbot–Lau.[19] Em 2013, foi demonstrada a interferência de moléculas com mais de 10.000 u.[20]

A revisão abrangente de 2008 por Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer e David E. Pritchard documenta muitas novas abordagens experimentais para a interferometria atômica.[21] Mais recentemente, os interferômetros atômicos começaram a sair das condições de laboratório e a abordar uma variedade de aplicações em ambientes do mundo real.[22][23]

Aplicações

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Física gravitacional

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Uma medição precisa do desvio para o vermelho gravitacional foi realizada em 2009 por Holger Muller, Achim Peters e Steven Chu. Nenhuma violação da relatividade geral foi encontrada até 7 × 10-9.[24]

Em 2020, Peter Asenbaum, Chris Overstreet, Minjeong Kim, Joseph Curti e Mark A. Kasevich usaram a interferometria atômica para testar o princípio da equivalência na relatividade geral. Eles não encontraram violações até cerca de 10-12.[25][26]

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A primeira equipe a criar um modelo funcional, a de Pritchard, foi liderada por David Keith.[27] Os giroscópios de interferômetro atômico (AIG) e os giroscópios de spin atômico (ASG) utilizam interferômetros atômicos para detectar rotação ou, no caso dos giroscópios de spin atômico, utilizam spin atômico para detectar rotação, ambos com tamanho compacto, alta precisão e a possibilidade de serem fabricados em escala de chip.[28][29] Os "giroscópios AI" podem competir, juntamente com os ASGs, com o estabelecido giroscópio a laser em anel, giroscópio óptico de fibra e giroscópio de ressonador hemisférico em futuras aplicações de guiagem inercial.[30]

Referências

  1. ↑ Hecht, Eugene (2017). Optics 5th ed. [S.l.]: Pearson. ISBN 978-0-133-97722-6 
  2. ↑ Stray, Ben; Lamb, Andrew; Kaushik, Aisha; Vovrosh, Jamie; Winch, Jonathan; Hayati, Farzad; Boddice, Daniel; Stabrawa, Artur; Niggebaum, Alexander; Langlois, Mehdi; Lien, Yu-Hung; Lellouch, Samuel; Roshanmanesh, Sanaz; Ridley, Kevin; de Villiers, Geoffrey; Brown, Gareth; Cross, Trevor; Tuckwell, George; Faramarzi, Asaad; Metje, Nicole; Bongs, Kai; Holynski, Michael (2020). «Quantum sensing for gravity cartography». Nature. 602 (7898): 590–594. PMC 8866129Acessível livremente. PMID 35197616. doi:10.1038/s41586-021-04315-3Acessível livremente 
  3. ↑ Cronin, A. D.; Schmiedmayer, J.; Pritchard, D. E. (2009). «Optics and interferometry with atoms and molecules». Rev. Mod. Phys. 81 (3): 1051–1129. Bibcode:2009RvMP...81.1051C. arXiv:0712.3703Acessível livremente. doi:10.1103/RevModPhys.81.1051 
  4. ↑ Adams, C. S.; Sigel, M.; Mlynek, J. (1994). «Atom Optics». Phys. Rep. 240 (3): 143–210. Bibcode:1994PhR...240..143A. doi:10.1016/0370-1573(94)90066-3Acessível livremente 
  5. ↑ Hornberger, K.; et al. (2012). «Colloquium: Quantum interference of clusters and molecules». Rev. Mod. Phys. 84 (1): 157. Bibcode:2012RvMP...84..157H. arXiv:1109.5937Acessível livremente. doi:10.1103/revmodphys.84.157 
  6. ↑ Rasel, E. M.; et al. (1995). «Atom Wave Interferometry with Diffraction Gratings of Light». Phys. Rev. Lett. 75 (14): 2633–2637. Bibcode:1995PhRvL..75.2633R. PMID 10059366. doi:10.1103/physrevlett.75.2633 
  7. ↑ Estermann, I.; Stern, Otto (1930). «Beugung von Molekularstrahlen». Z. Phys. 61 (1–2): 95. Bibcode:1930ZPhy...61...95E. doi:10.1007/bf01340293 
  8. ↑ Carnal, O.; Mlynek, J. (1991). «Young's double-slit experiment with atoms: A simple atom interferometer». Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2689–2692. Bibcode:1991PhRvL..66.2689C. PMID 10043591. doi:10.1103/physrevlett.66.2689 
  9. ↑ Keith, D.W.; Ekstrom, C.R.; Turchette, Q.A.; Pritchard, D.E. (1991). «An interferometer for atoms». Phys. Rev. Lett. 66 (21): 2693–2696. Bibcode:1991PhRvL..66.2693K. PMID 10043592. doi:10.1103/physrevlett.66.2693 
  10. ↑ Riehle, F.; Th; Witte, A.; Helmcke, J.; Ch; Bordé, J. (1991). «Optical Ramsey spectroscopy in a rotating frame: Sagnac effect in a matter-wave interferometer». Phys. Rev. Lett. 67 (2): 177–180. Bibcode:1991PhRvL..67..177R. PMID 10044514. doi:10.1103/physrevlett.67.177 
  11. ↑ Kasevich, M.; Chu, S. (1991). «Atomic interferometry using stimulated Raman transitions». Phys. Rev. Lett. 67 (2): 181–184. Bibcode:1991PhRvL..67..181K. PMID 10044515. doi:10.1103/physrevlett.67.181 
  12. ↑ Arndt, Markus; O. Nairz; J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger (14 Outubro 1999). «Wave–particle duality of C60». Nature. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. PMID 18494170. doi:10.1038/44348 
  13. ↑ Juffmann, Thomas; et al. (25 Março 2012). «Real-time single-molecule imaging of quantum interference». Nature Nanotechnology. 7 (5): 297–300. Bibcode:2012NatNa...7..297J. PMID 22447163. arXiv:1402.1867Acessível livremente. doi:10.1038/nnano.2012.34 
  14. ↑ a b Hackermüller, Lucia; Stefan Uttenthaler; Klaus Hornberger; Elisabeth Reiger; Björn Brezger; Anton Zeilinger; Markus Arndt (2003). «The wave nature of biomolecules and fluorofullerenes». Phys. Rev. Lett. 91 (9). 090408 páginas. Bibcode:2003PhRvL..91i0408H. PMID 14525169. arXiv:quant-ph/0309016Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevLett.91.090408 
  15. ↑ Clauser, John F.; S. Li (1994). «Talbot von Lau interefometry with cold slow potassium atoms.». Phys. Rev. A. 49 (4): R2213–2217. Bibcode:1994PhRvA..49.2213C. PMID 9910609. doi:10.1103/PhysRevA.49.R2213 
  16. ↑ Brezger, Björn; Lucia Hackermüller; Stefan Uttenthaler; Julia Petschinka; Markus Arndt; Anton Zeilinger (2002). «Matter-wave interferometer for large molecules». Phys. Rev. Lett. 88 (10). 100404 páginas. Bibcode:2002PhRvL..88j0404B. PMID 11909334. arXiv:quant-ph/0202158Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevLett.88.100404 
  17. ↑ Hornberger, Klaus; Stefan Uttenthaler; Björn Brezger; Lucia Hackermüller; Markus Arndt; Anton Zeilinger (2003). «Observation of Collisional Decoherence in Interferometry». Phys. Rev. Lett. 90 (16). 160401 páginas. Bibcode:2003PhRvL..90p0401H. PMID 12731960. arXiv:quant-ph/0303093Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevLett.90.160401 
  18. ↑ Hackermüller, Lucia; Klaus Hornberger; Björn Brezger; Anton Zeilinger; Markus Arndt (2004). «Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation». Nature. 427 (6976): 711–714. Bibcode:2004Natur.427..711H. PMID 14973478. arXiv:quant-ph/0402146Acessível livremente. doi:10.1038/nature02276 
  19. ↑ Gerlich, Stefan; et al. (2011). «Quantum interference of large organic molecules». Nature Communications. 2 (263). 263 páginas. Bibcode:2011NatCo...2..263G. PMC 3104521Acessível livremente. PMID 21468015. doi:10.1038/ncomms1263 
  20. ↑ Eibenberger, S.; Gerlich, S.; Arndt, M.; Mayor, M.; Tüxen, J. (2013). «Matter–wave interference of particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu». Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (35): 14696–14700. Bibcode:2013PCCP...1514696E. PMID 23900710. arXiv:1310.8343Acessível livremente. doi:10.1039/c3cp51500a 
  21. ↑ Cronin, Alexander D.; Schmiedmayer, Jörg; Pritchard, David E. (2009). «Optics and interferometry with atoms and molecules». Reviews of Modern Physics. 81 (3): 1051–1129. Bibcode:2009RvMP...81.1051C. arXiv:0712.3703Acessível livremente. doi:10.1103/RevModPhys.81.1051 
  22. ↑ Bongs, K.; Holynski, M.; Vovrosh, J.; Bouyer, P.; Condon, G.; Rasel, E.; Schubert, C.; Schleich, W.P.; Roura, A. (2019). «Taking atom interferometric quantum sensors from the laboratory to real-world applications». Nat. Rev. Phys. 1 (12): 731–739. Bibcode:2019NatRP...1..731B. doi:10.1038/s42254-019-0117-4 
  23. ↑ Vovrosh, J.; Dragomir, A.; Stray, B.; Boddice, B. (2023). «Advances in Portable Atom Interferometry-Based Gravity Sensing». Sensors. 23 (7). 7651 páginas. Bibcode:2023Senso..23.7651V. doi:10.3390/s23177651 
  24. ↑ Muller, Holger; Peters, Achim; Chu, Steven (2010). «A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves». Nature. 463 (7283): 926–929. Bibcode:2010Natur.463..926M. PMID 20164925. doi:10.1038/nature08776 
  25. ↑ Asenbaum, Peter; Overstreet, Chris; Kim, Minjeong; Curti, Joseph; Kasevich, Mark A. (2020). «Atom-Interferometric Test of the Equivalence Principle at the 10−12 Level». Physical Review Letters. 125 (19). 191101 páginas. PMID 33216577. arXiv:2005.11624Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevLett.125.191101 
  26. ↑ Conover, Emily (Outubro 28, 2020). «Galileo's famous gravity experiment holds up, even with individual atoms». Science News. Consultado em Agosto 6, 2023 
  27. ↑ Rotman, David (Fevereiro 8, 2013). «A Cheap and Easy Plan to Stop Global Warming». MIT Technology Review. Consultado em 1 Julho 2021 
  28. ↑ Fang, Jiancheng; Qin, Jie (2012). «Advances in Atomic Gyroscopes: A View from Inertial Navigation Applications». Sensors. 12 (5): 6331–6346. Bibcode:2012Senso..12.6331F. PMC 3386743Acessível livremente. PMID 22778644. doi:10.3390/s120506331Acessível livremente 
  29. ↑ Avanços em Giroscópios Atômicos: Uma Visão das Aplicações em Navegação Inercial. PDF Completo
  30. ↑ Giroscópios de Átomo Frio – IEEE Sensors 2013

Ligações externas

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