A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Per misurare il mondo con estrema precisione, gli scienziati si rivolgono spesso agli atomi. Raffreddando le nuvole di atomi finché non si muovono quasi lentamente quanto una foglia che fluttua, i ricercatori possono trattarli come onde di luce. Queste onde di materia possono essere divise, inviate lungo percorsi differenti e poi ricombinate per rivelare i minimi cambiamenti nella gravità, nella rotazione o nel tempo. La chiave di questo processo è la luce laser utilizzata per dare una spinta agli atomi. Per ottenere le misurazioni più sensibili, gli scienziati devono spingere questi atomi con un fascio di luce forte e uniforme che copra un'ampia area. Tuttavia, creare un tale fascio è difficile perché la luce tende a diffondersi e a perdere la sua intensità con la distanza. Per risolvere questo problema, gli scienziati utilizzano cavità ottiche, che sono essenzialmente specchi che intrappolano la luce e la fanno rimbalzare avanti e indietro per accumulare intensità. Sebbene queste cavità siano potenti, funzionano solitamente meglio con fasci molto specifici e stretti, rendendole poco adatte alle ampie nuvole di atomi necessarie per gli esperimenti più sensibili.

Un team di ricercatori ha trovato un modo ingegnoso per trasformare un grande difetto di queste cavità a fascio largo in uno strumento utile. Nel loro esperimento, hanno utilizzato un tipo speciale di configurazione di specchi noto come risonatore marginalmente stabile. Sebbene queste configurazioni possano supportare fasci ampi, soffrono di un'anomalia: le imperfezioni degli specchi e dell'allineamento causano la formazione di una serie di anelli all'interno della luce, anziché un singolo punto solido. Inoltre, la dimensione di questi anelli cambia a seconda del colore esatto, o frequenza, della luce laser utilizzata. In passato, questo comportamento era visto come un problema che limitava la quantità di nuvola atomica che poteva essere utilizzata. I ricercatori si sono resi conto che, invece di combattere questo effetto, potevano cavalcarlo. Facendo scorrere rapidamente la frequenza del laser attraverso un intervallo di valori, potevano far crescere e rimpicciolire l'anello luminoso, effettuando di fatto una scansione su tutta la nuvola di atomi.

Il team ha testato questa idea utilizzando una nuvola di atomi di rubidio raffreddata a una temperatura di appena 2,5 microkelvin. Hanno lanciato questa nuvola verticalmente nell'aria e hanno aspettato che raggiungesse l'apice del suo volo, dove si muoveva molto lentamente. A quel punto, hanno sparato un impulso laser per dividere e ricombinare le onde atomiche. In una configurazione tradizionale in cui la frequenza del laser è mantenuta costante, la luce interagirebbe efficientemente solo con una minuscola frazione degli atomi al centro della nuvola, lasciando il resto intoccato. Ciò risultava in un'efficienza molto bassa, con solo circa il 5 percento degli atomi che passava con successo allo stato desiderato. Al contrario, quando i ricercatori hanno fatto scorrere la frequenza del laser attraverso la risonanza regolando attentamente la brillantezza del fascio, l'interazione è diventata uniforme. L'anello di luce in movimento ha scansionato l'intera larghezza di 15,6 millimetri della nuvola di atomi, assicurando che ogni parte della nuvola ricevesse la stessa spinta.

Questo semplice cambio di strategia ha prodotto un miglioramento drammatico. L'efficienza del trasferimento degli atomi al nuovo stato è balzata dal 5 percento al 28 percento. Si tratta di un guadagno significativo, soprattutto considerando che la nuvola era molto più larga della dimensione naturale del fascio di luce all'interno della cavità. I ricercatori sono stati in grado di ottenere questo compensando il fatto che la luce è naturalmente più debole ai bordi della cavità; hanno modellato l'impulso in modo che gli atomi al bordo ricevessero tanta energia quanto quelli al centro. Il risultato è stato una regione di interazione quasi uniforme che copriva l'intera nuvola, qualcosa che era impossibile con un fascio laser statico.

Oltre a muovere gli atomi in modo più efficiente, il team ha dimostrato che questo metodo di scansione preserva le delicate proprietà quantistiche necessarie per l'interferometria. Hanno costruito un interferometro a tre impulsi, un dispositivo che divide le onde atomiche, le lascia viaggiare per un breve tempo e poi le riunisce per misurare la differenza nei loro percorsi. Utilizzando i loro impulsi "chirpati", ovvero a frequenza variabile, hanno creato con successo un pattern di interferenza, che è il segnale che prova che gli atomi si comportano come onde coerenti. Il segnale ha mostrato un contrasto del 24 percento, indicando che gli atomi sono rimasti in fase l'uno con l'altro durante tutto il processo. Ciò dimostra che la tecnica di scansione non sconvolge l'informazione quantistica, anche se la luce si muove e cambia forma durante l'interazione.

I ricercatori hanno notato che il segnale si è leggermente indebolito all'aumentare del tempo tra gli impulsi, probabilmente a causa di minuscole vibrazioni nell'attrezzatura che hanno spostato gli specchi l'uno rispetto all'altro. Tuttavia, sono fiduciosi che questi problemi possano essere gestiti con una migliore stabilizzazione. Questo lavoro stabilisce che l'eccitazione dinamica di queste cavità speciali è una via percorribile per la costruzione di interferometri atomici ad ampia area. Trasformando un'imperfezione spaziale in una risorsa di scansione, il team ha aperto la porta all'uso di queste potenti trappole di luce per misurazioni molto più grandi e sensibili di quanto precedentemente ritenuto possibile. Questo approccio potrebbe portare in futuro a nuovi strumenti per mappare la gravità terrestre o per testare le leggi fondamentali della fisica con una chiarezza senza precedenti.