A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Um die Welt mit extremer Präzision zu vermessen, wenden sich Wissenschaftler oft an Atome. Indem sie Wolken von Atomen abkühlen, bis sie sich fast so langsam bewegen wie ein treibendes Blatt, können Forscher diese wie Lichtwellen behandeln. Diese Materiewellen lassen sich spalten, auf unterschiedlichen Pfaden aussenden und dann wieder vereinen, um die winzigsten Veränderungen in der Schwerkraft, Rotation oder Zeit zu enthüllen. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist das Laserlicht, das verwendet wird, um die Atome anzustoßen. Um die empfindlichsten Messungen zu erzielen, müssen Wissenschaftler diese Atome mit einem starken, gleichmäßigen Lichtstrahl anschieben, der ein weites Gebiet abdeckt. Die Erzeugung eines solchen Strahls ist jedoch schwierig, da das Licht dazu neigt, sich auszubreiten und über die Distanz an Stärke zu verlieren. Um dies zu lösen, verwenden Wissenschaftler optische Resonatoren, bei denen es sich im Wesentlichen um Spiegel handelt, die Licht einfangen und hin und her reflektieren, um die Intensität aufzubauen. Obwohl diese Resonatoren leistungsstark sind, funktionieren sie meist am besten mit sehr spezifischen, schmalen Strahlen, was sie für die breiten Atomwolken, die für die empfindlichsten Experimente benötigt werden, ungeeignet macht.

Ein Forschungsteam hat einen cleveren Weg gefunden, einen großen Makel dieser Breitstrahl-Resonatoren in ein nützliches Werkzeug zu verwandeln. In ihrem Experiment verwendeten sie einen speziellen Typ von Spiegelaufbau, der als marginal stabiler Resonator bekannt ist. Während diese Aufbauten große Strahlen unterstützen können, leiden sie unter einer Eigenart: Imperfektionen in den Spiegeln und der Ausrichtung führen dazu, dass das Licht im Inneren eine Serie von Ringen statt eines einzigen soliden Punktes bildet. Darüber hinaus ändert sich die Größe dieser Ringe je nach der exakten Farbe, oder Frequenz, des verwendeten Laserlichts. In der Vergangenheit wurde dieses Verhalten als ein Problem angesehen, das die Menge der nutzbaren Atomwolke einschränkte. Die Forscher erkannten, dass sie anstatt gegen diesen Effekt zu kämpfen, ihn stattdessen nutzen könnten. Indem sie die Frequenz des Lasers schnell über einen Bereich von Wertenen durchliefen (sweept), konnten sie den hellen Ring des Lichts wachsen und schrumpfen lassen und so effektiv über die gesamte Atomwolke scannen.

Das Team testete diese Idee mit einer Wolke aus Rubidiumatomen, die auf eine Temperatur von nur 2,5 Mikrokelvin abgekühlt wurde. Sie schossen diese Wolke vertikal in die Luft und warteten, bis sie den Scheitelpunkt ihres Fluges erreichte, wo sie sich sehr langsam bewegte. An diesem Punkt feuerte sie einen Laserpuls ab, um die Atomwellen zu spalten und wieder zu vereinen. In einem traditionellen Aufbau, bei dem die Laserfrequenz konstant gehalten wird, würde das Licht nur mit einem winzigen Bruchteil der Atome im Zentrum der Wolke effizient interagieren, während der Rest unberührt bleibt. Dies resultierte in einer sehr geringen Effizienz, bei der nur etwa 5 Prozent der Atome erfolgreich in den gewünschten Zustand überführt wurden. Im Gegensatz dazu, als die Forscher die Laserfrequenz über die Resonanz durchliefen und dabei die Helligkeit des Strahls sorgfältig anpassten, wurde die Wechselwirkung gleichmäßig. Der wandernde Lichtring scannte über die gesamte Breite der 15,6 Millimeter breiten Atomwolke und stellte sicher, dass jeder Teil der Wolke den gleichen Stoß erhielt.

Diese einfache Änderung der Strategie bewirkte eine dramatische Verbesserung. Die Effizienz der Überführung der Atome in den neuen Zustand sprang von 5 Prozent auf 28 Prozent. Dies ist ein bedeutender Gewinn, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Wolke viel breiter war als die natürliche Größe des Lichtstrahls innerhalb des Resonators. Den Forschern gelang dies, indem sie die Tatsache kompensierten, dass das Licht an den Rändern des Resonators naturgemäß schwächer war; sie gestalteten den Puls so, dass die Atome am Rand genauso viel Energie erhielten wie jene im Zentrum. Das Ergebnis war eine nahezu gleichmäßige Interaktionsregion, die die gesamte Wolke abdeckte – etwas, das mit einem statischen Laserstrahl unmöglich war.

Über das effizientere Bewegen von Atomen hinaus demonstrierte das Team, dass diese Scanning-Methode die empfindlichen Quanteneigenschaften bewahrt, die für die Interferometrie erforderlich sind. Sie bauten ein Drei-Puls-Interferometer auf, ein Gerät, das die Atomwellen spaltet, sie für eine kurze Zeit wandern lässt und sie dann wieder zusammenführt, um die Differenz ihrer Pfade zu messen. Mit ihren gechirpten, oder frequenzmodulierten Pulsen gelang es ihnen erfolgreich, ein Interferenzmuster zu erzeugen, welches das Signal ist, das beweist, dass die Atome als kohärente Wellen agieren. Das Signal zeigte einen Kontrast von 24 Prozent, was darauf hindeutet, dass die Atome während des gesamten Prozesses im Gleichschritt blieben. Dies beweist, dass die Scanning-Technik die Quanteninformation nicht durcheinanderbringt, obwohl sich das Licht während der Wechselwirkung bewegt und seine Form verändert.

Die Forscher merkten an, dass das Signal leicht abschwächte, wenn die Zeit zwischen den Pulsen zunahm, was wahrscheinlich auf winzige Vibrationen in der Ausrüstung zurückzuführen ist, welche die Spiegel relativ zueinander verschoben haben. Sie sind jedoch zuversichtlich, dass diese Probleme durch eine bessere Stabilisierung bewältigt werden können. Die Arbeit etabliert, dass die dynamische Anregung dieser speziellen Resonatoren ein gangbarer Weg für den Bau von großflächigen Atominterferometern ist. Indem sie eine räumliche Imperfektion in eine Scanning-Ressource verwandelten, hat das Team die Tür zur Nutzung dieser leistungsstarken Lichtfallen für wesentlich größere und empfindlichere Messungen geöffnet, als bisher für möglich gehalten wurde. Dieser Ansatz könnte schließlich zu neuen Werkzeugen für die Kartierung der Erdanziehungskraft oder die Testung der fundamentalen Gesetze der Physik mit beispielloser Klarheit führen.