L; атомна оптика приручає хвилі матерії Для науки
Згідно з квантовою фізикою, частинки речовини - це також хвилі. Чи можемо ми тоді розробити для атомів еквівалент оптичних приладів, таких як дзеркала, лінзи, інтерферометри і навіть атомні лазери? Відповідь - так !
Атомна версія інтерференційного експерименту Янга. Хвилі речовини представляють амплітуди ймовірності присутності атомів. У цьому експерименті атоми ділокалізуються в поперечному напрямку, тому невідомо, через яку щілину вони проходять. Хвилі ймовірності заважають, і вплив атомів на екран детектора створює інтерференційні смуги.
У 1923 році Луї де Бройль запропонував поширити цю подвійність на матерію: на матеріальну частинку (електрон, протон, нейтрон або атом ...) він пов'язав хвилю, характеристики якої даються тими самими співвідношеннями Планка-Ейнштейна. У 1927 році Клінтон Девіссон і Лестер Гермер яскраво підтвердили гіпотезу де Бройля експериментами з дифракцією електронного пучка: електрони, як світло, утворюють інтерференційні картини. Де Бройль отримав Нобелівську премію в 1929 році за винахід цієї "хвильової механіки", заздалегідь сформулювавши квантову механіку, якої, проте, він ніколи не приймав імовірнісної інтерпретації.
Сьогодні ми змушуємо атоми перешкоджати, і ми усвідомлюємо прилади, які неможливо уявити кілька десятиліть тому, такі як атомно-хвильові гіроскопи, з чутливістю, якої ніколи не досягає оптична оптика. Також можна отримати пучки когерентних атомів, еквівалентні лазерним променям. На даний момент ці пучки є послідовностями імпульсів, але ми рухаємось до виробництва пучків у безперервному режимі.
Дискретна атомна хвиля
Згідно з квантовою фізикою, поведінка частинки, якою б вона не була, описується вже не її положенням і швидкістю в кожен момент, а ймовірнісним розподілом, амплітуда якого є квантовим аналогом амплітуди електромагнітного поля (квадратний корінь інтенсивності світла). Потім ми представляємо частинку як розмиту пляму, яка представляє область простору, де ймовірність її виявлення максимальна: ширина плями визначає довжину когерентності хвиль речовини, тобто, скажімо, характерний розмір, над яким інтерференційні явища є спостережуваними. Коли положення частинки добре відомо, ця пляма майже точкова. У цьому випадку швидкість частинки не може бути достеменно відома, згідно з принципом невизначеності, викладеним Вернером Гейзенбергом у 1927 році. І навпаки, ця пляма тим більша, оскільки швидкість атомів добре відома. Отже, коли температура атомів падає, їх швидкості і особливо дисперсія їхніх швидкостей також зменшуються, так що плями, що їх представляють, розширюються, полегшуючи спостереження за інтерференційними смугами.
Дійсно, хвильові прояви атомів, такі як перешкоди, важко спостерігати при кімнатній температурі, коли частинки мають швидкість кількох сотень метрів в секунду і довжину хвилі порядку тисячних нанометрів. З іншого боку, при надзвичайно низьких температурах, доступних завдяки лазерному охолодженню (див. "Холодні атоми" та "квантові конденсати" Д. Гері-Оделіна та Дж. Далібарда в цьому досьє), атоми можуть сповільнюватися, і довжини хвиль речовини стають достатньо великий (кілька сотень нанометрів), щоб можна було створити атомні перешкоди.
Перші експерименти для демонстрації цих «атомних хвиль» були проведені в 1990 р. В інтерференційних експериментах типу Янг-бахроми (див. Рисунок 1). Вибравши набір атомів з низькою температурою, ми отримуємо пучок, когерентність якого (ширина “делокалізації” їх плями) у поперечному напрямку перевищує відстань між двома щілинами. Отже, кожен атом цього пучка має еквівалентну ймовірність проходження через ту чи іншу з щілин. На виході з двох щілин ми спостерігаємо прихід атомів окремо, але розподіл ударів поступово виявляє інтерференційну картину. Коли ми намагаємось визначити, через яку щілину проходять атоми, наприклад, змушуючи їх випускати фотони, ми руйнуємо інтерференційні смуги, точно так, як передбачає квантова теорія.
Тоді ми можемо запитати себе, до якого розміру частинок речовини можна спостерігати цю "хвильову поведінку": ми не знаємо відповіді, але ми вже перевищили нанометричний масштаб атома, спостерігаючи дифракцію "великих" молекули фулерену, що складаються з 70 атомів вуглецю.
Отже, атомна оптика має, як і "легку" оптику, свої хвилі, пов'язані з ними довжини хвиль тим більше, що атоми повільніші. Тоді ми можемо розглянути, що стосується світла, конструкцію основних елементів, які змінюють амплітуду та напрямок "атомних" променів, а потім розробку пристроїв, що складаються з цих елементів, таких як телеоб'єктиви, телескопи тощо тощо. Лазерні промені, оскільки вони впливають на рух атомів, стають дзеркалами або атомними лінзами, здатними відхиляти або концентрувати пучок атомів, а також дифракційними решітками, здатними когерентно відокремлювати падаючі потоки на шляху призми для світла.
Наприклад, атомне дзеркало утворюється шляхом утворення на поверхні скляної підкладки як відбиваючої обробки атомів світлової хвилі, що випромінює. Коли атом наближається до поверхні підкладки, він стикається зі світловим полем зростаючої інтенсивності і зазнає сили, яка протидіє його швидкості: він відскакує назад. Дзеркало є ключовим елементом фотонної оптики, важливим для виготовлення телескопів астрофізиків або лазерних порожнин. Так само дзеркало з атомами фокусує або відхиляє атомні хвилі, а також служить для «зберігання» їх у порожнинах, резонансних чи ні. Нарешті, шляхом просторової або часової модуляції відбивної здатності дзеркал створюються дифракційні решітки, які контролюють або навіть ділять амплітуду атомних хвиль (див. Малюнок 2).
Атомна інтерферометрія: виняткова точність
Іншим методом були розроблені перші «прилади», засновані на атомній інтерферометрії. За допомогою відповідного лазерного імпульсу атом змінюється з початкового квантового стану на суперпозицію двох різних квантових станів. Це створює регульовану атомну роздільну пластину, яка розділяє початкову атомну хвилю на дві хвилі з різними характеристиками. Подальша взаємодія зі світлом може просто модифікувати характеристики хвиль, не дублюючи їх, або зробити зворотне, тобто рекомбінувати дві хвилі; ми отримуємо атомний інтерферометр (див. малюнок 3). Як і у світлових інтерферометрів, інтерференційні смуги виявляють відмінності в трактах двох хвиль: шлях довший для однієї, ніж для іншої, взаємодія з перешкодою для однієї, а не для іншої тощо.
У світловому інтерферометрі хвилі рухаються зі швидкістю світла, тобто дуже швидко! Набагато повільніше, атомні хвилі проводять набагато більше часу в інтерферометрі. Як результат, чутливість пристроїв атомних перешкод до можливих взаємодій, яким піддаються атоми, до 100 мільярдів разів більша, ніж чутливість пристроїв оптичних перешкод. Ця виняткова чутливість використовується для вимірювання з великою точністю, наприклад, впливу електричного поля на атом, маси атома або обертання або прискорення, зазнаних інтерферометром. (Який потім стає інерційним датчиком).
Звідки береться велика чутливість атомних інтерферометрів до обертань або прискорень? «Класичні» аргументи дозволяють зрозуміти наслідки цих порушень. Коли одна з траєкторій атомного інтерферометра зазнає обертання або прискорення, швидкість атомів вздовж цієї траєкторії змінюється. Ця зміна швидкості призводить до зміни довжини атомної хвилі, що призводить до фазового зсуву ураженого пучка по відношенню до іншого. Коли ми рекомбінуємо два пучки, ми спостерігаємо модуляцію атомного сигналу: якщо фазовий зсув дорівнює нулю, різні частини пакета атомних хвиль конструктивно заважають, і ми виявляємо сигнал, еквівалентний яскравій смузі. Якщо фазовий зсув становить 90 °, хвильові пакети руйнуються, і сигнал не виявляється: це темна окантовка.
Чутливість інтерферометра оцінюється шляхом обчислення площі, обмеженої атомними променями (траєкторіями). Ця область є просто добутком швидкості поділу двох променів на час вимірювання (час, що залишився для розділення двох атомних променів), і на відстань між першим і останнім лазерним імпульсом. Під час кожного лазерного імпульсу фотони передають атомам величину руху, яка відповідає кільком сантиметрам в секунду (менше одного кілометра на годину). Дві атомні хвилі розділяються з такою швидкістю. Тоді зміна швидкості атомів (внаслідок обертання або прискорення) викликає модифікацію цієї поверхні, яка пропорційна фазовому зсуву.
Перший атомний гірометр був виготовлений у Стенфордському університеті: його інтерферометр мав довжину два метри для часу вимірювання в десять тисячних секунд. У переносному інерційному блоці, нещодавно побудованому в Парижі, на основі лазерного охолодження, інтерферометр має довжину п'ять сантиметрів, час вимірювання - 100 тисячних секунд. В обох випадках характерна площа становить "лише" кілька квадратних міліметрів, або приблизно в мільйон разів менше, ніж у найкращих оптичних систем. Однак цей "геометричний" коефіцієнт залишається невеликим порівняно з виграшем коефіцієнта в 100 мільярдів на чутливість: ці атомні системи надзвичайно конкурентоспроможні. !
Таким чином, найкращий атомний гірометр виявляє швидкість обертання 6 × 10 –10 радіанів в секунду, у 100 000 разів повільнішу за швидкість обертання Землі. Він також виявляє прискорення від 2 × 10 –8 метрів на секунду в квадраті, майже мільйонну частину прискорення сили тяжіння. Ці характеристики вже набагато кращі за показники найкращих абсолютних гравіметрів, робота яких заснована на вимірюванні падіння об’єкта методами оптичної інтерферометрії. Вони дозволяють розглянути велику кількість додатків: у фундаментальних дослідженнях, де планується тонка перевірка основних законів сучасних теорій, а також для розвідки корисних копалин або нафти та для інерційної навігації. Ми викликаємо деякі з них.
Всі знайшли роботу
У фундаментальній фізиці ці інерційні датчики незрівнянної чутливості дозволять детально перевірити теорію загальної теорії відносності Ейнштейна. Атоми холоду вже мають свій квиток у космос, наприклад, на атомних годинниках цезію, передбачених пристроєм фарао (проект «Атомний годинник» шляхом охолодження атомів на орбіті), який незабаром буде запущений на міжнародну космічну станцію. Також планується відправити в космос інерційний датчик з холодними атомами, що працює в мікрогравітації, щоб виміряти крихітні коливання прискорення або обертання, які зазнають супутники. Проект гіперкосмічної галузі, запропонований Європейському космічному агентству (esa) у 2000 р., А потім відкликаний у 2004 р., Пропонував проводити такі тести з релятивістського ефекту, відомого як Lense-Thirring, через близькість обертової маси: нам довелося визначити різницю між вимірюванням обертання, проведеним локально, наприклад, атомним гірометром, та вимірюванням, проведеним щодо віддаленої системи відліку, визначеної нерухомими зірками. Місія, яка називається Гравітаційний зонд B, з подібними цілями, але з використанням інших інерційних датчиків, щойно була запущена в космос.
Ми також хочемо перевірити принцип еквівалентності, одну з основ теорії загальної відносності, згідно з якою всі об'єкти, що зазнають гравітаційного потенціалу, зазнають однакового прискорення, незалежно від їх маси та їх складу. В рамках мікроскопічної місії (розробленої Onera), яка буде запущена протягом двох-трьох років на мікросупутнику Національного центру космічних досліджень (cnes), ми вивчатимемо вільне падіння двох тіл різного складу. Завдяки атомним інерційним датчикам можна буде перевірити, що принцип еквівалентності застосовується однаково як до макроскопічних об'єктів, так і до мікроскопічних об'єктів. Це одна з цілей льодового проекту: порівняти вимірювання прискорення, зроблені за допомогою датчиків проекту мікроскопа, та вимірювання, зроблені за допомогою атомних інерційних датчиків, що складаються з атомів різної природи.
Інші потенційні додатки зацікавлять геофізиків, які вивчають земну кору та її деформацію під впливом різних тривожних елементів (припливних ефектів, ваги океанів та хмар тощо), а також коливань швидкості обертання. землі. Сьогодні вони вимірюють коливання гравітаційного поля та місцеву швидкість обертання планети за допомогою методів великої бази інтерферометрії (vlbi), заснованих на вказівці віддалених зірок. Ці методи досягають чудової точності завдяки дуже тривалому часу інтеграції. Однак, якби чутливість поточних атомних гірометрів покращили простим коефіцієнтом у десять, ці прилади надавали б додаткові дані для коротшого часу вимірювання.
Крім того, вимірювання градієнта земної гравітації за допомогою високоточних атомних градієметрів дозволило б вивчити склад земної кори: наприклад, нафтові дослідження могли б отримати від цього користь. Нарешті, високоточні інерційні датчики давно використовуються для інерційної навігації, де потрібна висока довготривала стабільність: на підводних човнах або супутниках, а також на літаках і ракетах, навіть, можливо, завтра.
Квантова атомна оптика
Інший шлях для досліджень та застосування атомної оптики відкрився завдяки охолодженню атомів лазером. Завдяки останньому ми досягли високих атомних щільностей при температурі, дуже близькій до абсолютного нуля (кілька мільйонних частин градуса вище абсолютного нуля), що відповідає режимам, коли хвильовий аспект атомів стає важливим. За допомогою цих методів охолодження отримують атомну яскравість (тобто інтенсивність у певному напрямку), порівнянну з інтенсивністю світлових лампочок. Однак протягом майже півстоліття світяща оптика отримувала користь як від напружених, так і від цілком когерентних джерел: лазерів (див. Лазер та оновлення оптики, Кл. Фабр, у цьому звіті).
Отримання в 1995 р. Конденсату Бозе-Ейнштейна дозволило досягти еквівалента лазерів для атомної оптики. Дійсно, при надзвичайно низьких температурах (менше мільйонної частки градуса) атоми настільки делокалізуються, що практично “зливаються” один з одним. За цих умов певні атоми (бозони) агрегуються за явищем, яке ми могли б назвати бозоновим посиленням, за аналогією з лазерним посиленням. Кілька атомів накопичуються (конденсуються) в одному квантовому стані і утворюють єдину атомну хвилю. Тоді жодне вимірювання не дозволяє їх розрізнити: ці атоми займають однаковий об'єм простору, рухаються з однаковою швидкістю, однаково розсіюють світло. Спостерігаючи тінь газу атомів, перетнуту лазерною хвилею, ми бачимо, що в його центрі з'являється нескінченно високий і вузький пік, схожий на лазерну пляму посередині плями флуоресценції (див. Рисунок 4).
Таким чином, конденсат є аналогом підсилюючого середовища в порожнині лазера. Тоді ми можемо отримати пучок когерентних атомів, еквівалентний лазерному променю в оптиці, використовуючи “вихідний відгалужувач”. Як і у фотонів лазерного променя, атоми цього променя поширюються в абсолютно однаковому напрямку і мають абсолютно однакову довжину хвилі (тобто ту саму швидкість) і однакову фазу. Таким чином, вони утворюють промінь, яким легко керувати та використовувати, який може бути відбитим, сфокусованим, дифракційним, модульованим за частотою та амплітудою або також керованим.
Існування лазерного аналога з його надзвичайною яскравістю дозволяє фізикам черпати натхнення з багатства відкриттів у нелінійній оптиці. Серед них випромінювання близнюків-фотонів призвело до виникнення заплутаних квантових станів, які перевіряють найдивовижніші закони квантової фізики (порушення нерівностей Белла, див. Des photons entangqué aux bitsvant, квантові, А. Аспект і Ф. Грандьє, в це досьє). Фотони-близнюки також використовуються в протоколах квантової криптографії, що забезпечить подальшу передачу даних.
Чи можемо ми створити атоми-близнюки в атомній оптиці? Найближчим аналогом "параметричного перетворення", що використовується сьогодні для отримання корельованих фотонів, є перетворення молекулярного конденсату (наприклад, рубідію Rb2) в пари атомів (у цьому прикладі Rb) з протилежними швидкостями. Ми також експериментуємо на зіткненні двох атомних конденсатів (двох конденсатів Rb), утворюючи пари атомів з абсолютно протилежною швидкістю. Залишилося довести, що ці пари ідеально корелюють. Це абсолютно нова дисципліна, яка відкрилася для нас.