A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

لقياس العالم بدقة متناهية، غالباً ما يلجأ العلماء إلى الذرات. فمن خلال تبريد سحب من الذرات حتى تتحرك ببطء شديد يشبه حركة ورقة شجر تنجرف، يستطيع الباحثون التعامل معها كموجات ضوئية. يمكن تقسيم هذه الموجات المادية، وإرسالها عبر مسارات مختلفة، ثم إعادة دمجها للكشف عن أدق التغييرات في الجاذبية، أو الدوران، أو الزمن. والمفتاح في هذه العملية هو ضوء الليزر المستخدم لدفع الذرات. وللحصول على أكثر القياسات حساسية، يحتاج العلماء إلى دفع هذه الذرات بحزمة ضوئية قوية ومنتظمة تغطي مساحة واسعة. ومع ذلك، فإن إنشاء مثل هذه الحزمة أمر صعب لأن الضوء يميل إلى الانتشار وفقدان قوته مع المسافة. ولحل هذه المشكلة، يستخدم العلماء تجاويف بصرية، وهي في الأساس مرايا تحبس الضوء وتجعله يرتد ذهاباً وإياباً لبناء الكثافة. وبينما تعد هذه التجاويف قوية، إلا أنها تعمل عادةً بشكل أفضل مع حزم محددة وضيقة للغاية، مما يجعلها غير مناسبة لسحب الذرات الواسعة المطلوبة لأكثر التجارب حساسية.

لقد وجد فريق من الباحثين طريقة ذكية لتحويل عيب رئيسي في تجاويف الحزم الواسعة هذه إلى أداة مفيدة. ففي تجربتهم، استخدموا نوعاً خاصاً من إعدادات المرايا يُعرف باسم الرنان شبه المستقر (marginally stable resonator). وبينما يمكن لهذه الإعدادات دعم حزم كبيرة، إلا أنها تعاني من سمة غريبة: تؤدي العيوب في المرايا والمحاذاة إلى جعل الضوء داخلها يشكل سلسلة من الحلقات بدلاً من بقعة واحدة صلبة. علاوة على ذلك، يتغير حجم هذه الحلقات اعتماداً على اللون الدقيق، أو التردد، لضوء الليزر المستخدم. وفي الماضي، كان هذا السلوك يُعتبر مشكلة تحد من مقدار سحابة الذرات التي يمكن استخدامها. لكن الباحثين أدركوا أنه بدلاً من محاربة هذا التأثير، يمكنهم ركوبه؛ فمن خلال مسح تردد الليزر بسرعة عبر نطاق من القيم، استطاعوا جعل الحلقة المضيئة تنمو وتتقلص، مما يؤدي فعلياً إلى مسح سحابة الذرات بأكملها.

اختبر الفريق هذه الفكرة باستخدام سحابة من ذرات الروبيديوم بٌرِّدت إلى درجة حرارة تبلغ 2.5 ميكروكيلفن فقط. أطلقوا هذه السحابة رأسياً في الهواء وانتظروا حتى وصلت إلى ذروة طيرانها، حيث تتحرك ببطء شديد. وعند هذه النقطة، أطلقوا نبضة ليزر لتقسيم وإعادة دمج موجات الذرات. في الإعداد التقليدي حيث يظل تردد الليزر ثابتاً، سيتفاعل الضوء بكفاءة مع جزء ضئيل فقط من الذرات في مركز السحابة، تاركاً البقية دون تأثير. وقد أدى ذلك إلى كفاءة منخفضة جداً، حيث انتقلت حوالي 5 بالمائة فقط من الذرات إلى الحالة المنشودة. وبالمقابل، عندما قام الباحثون بمسح تردد الليزر عبر الرنين مع ضبط سطوع الحزمة بعناية، أصبح التفاعل منتظماً. فقد مسحت حلقة الضوء المتحركة عرض سحابة الذرات البالغ 15.6 ملم بالكامل، مما ضمن أن كل جزء من السحابة يتلقى نفس الدفعة.

أنتج هذا التغيير البسيط في الاستراتيجية تحسناً دراماتيكياً؛ إذ قفزت كفاءة نقل الذرات إلى الحالة الجديدة من 5 بالمائة إلى 28 بالمائة. وهذا يعد مكسباً كبيراً، خاصة بالنظر إلى أن السحابة كانت أعرض بكثير من الحجم الطبيعي لحزمة الضوء داخل التجويف. وقد تمكن الباحثون من تحقيق ذلك من خلال التعويض عن حقيقة أن الضوء يكون باهتاً بطبيعته عند أطراف التجويف؛ حيث شكلوا النبضة بحيث تتلقى الذرات عند الحافة نفس مقدار الطاقة التي تتلقاها في المركز. وكانت النتيجة منطقة تفاعل منتظمة تقريباً تغطي السحابة بأكملها، وهو أمر كان مستحيلاً مع حزمة ليزر ثابتة.

وإلى جانب مجرد تحريك الذرات بكفاءة أكبر، أثبت الفريق أن طريقة المسح هذه تحافظ على الخصائص الكمومية الدقيقة المطلوبة للتداخل القياسي (interferometry). لقد بنوا مقياس تداخل ثلاثي النبضات، وهو جهاز يقسم موجات الذرات، ويتركها تسافر لفترة قصيرة، ثم يعيدها معاً لقياس الفرق في مساراتها. وباستخدام نبضاتهم "المزققة" (chirped)، أو المسوحة ترددياً، نجحوا في إنشاء نمط تداخل، وهو الإشارة التي تثبت أن الذرات تعمل كموجات مترابطة. أظهرت الإشارة تبايناً بنسبة 24 بالمائة، مما يشير إلى أن الذرات ظلت متناغمة مع بعضها البعض طوال العملية. وهذا يثبت أن تقنية المسح لا تشوش المعلومات الكمومية، على الرغم من أن الضوء يتحرك ويتغير شكله أثناء التفاعل.

لاحظ الباحثون أن الإشارة ضعفت قليلاً مع زيادة الوقت بين النبضات، ويرجع ذلك على الأرجح إلى اهتزازات طفيفة في المعدات أدت إلى إزاحة المرايا بالنسبة لبعضها البعض. ومع ذلك، فهم واثقون من إمكانية إدارة هذه المشكلات من خلال تحسين الاستقرار. إن هذا العمل يرسخ أن الإثارة الديناميكية لهذه التجاويف الخاصة هي مسار قابل للتطبيق لبناء مقاييس تداخل ذرية ذات مساحات واسعة. ومن خلال تحويل خلل مكاني إلى مورد للمسح، فتح الفريق الباب لاستخدام هذه المصائد الضوئية القوية لإجراء قياسات أكبر وأكثر حساسية مما كان يُعتقد سابقاً. ويمكن أن يؤدي هذا النهج في نهاية المطاف إلى أدوات جديدة لرسم خرائط جاذبية الأرض أو اختبار القوانين الأساسية للفيزياء بوضوح غير مسبوق.