A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Om de wereld met extreme precisie te meten, wenden wetenschappers zich vaak tot atomen. Door wolken van atomen af te koelen totdat ze bijna net zo langzaam bewegen als een drijvend blad, kunnen onderzoekers ze behandelen als lichtgolven. Deze materiegolven kunnen worden gesplitst, langs verschillende paden worden gestuurd en vervolgens weer worden samengevoegd om de kleinste veranderingen in zwaartekracht, rotatie of tijd te onthullen. De sleutel tot dit proces is het laserlicht dat wordt gebruikt om de atomen een zetje te geven. Om de meest gevoelige metingen te verkrijgen, moeten wetenschappers deze atomen voortstuwen met een sterke, uniforme lichtstraal die een groot gebied beslaat. Het creëren van een dergelijke straal is echter moeilijk omdat het licht de neiging heeft om uit te waaieren en aan kracht te verliezen over de afstand. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers optische caviteiten, wat in essentie spiegels zijn die licht vangen en heen en weer laten stuiteren om de intensiteit op te bouwen. Hoewel deze caviteiten krachtig zijn, werken ze meestal het best met zeer specifieke, smalle stralen, waardoor ze minder geschikt zijn voor de brede atoomwolken die nodig zijn voor de meest gevoelige experimenten.

Een team van onderzoekers heeft een slimme manier gevonden om een groot gebrek in deze breedstraal-caviteiten in een nuttig hulpmiddel te veranderen. In hun experiment gebruikten ze een speciaal type spiegelopstelling dat bekend staat als een marginaal stabiele resonator. Hoewel deze opstellingen grote stralen kunnen ondersteunen, lijden ze onder een eigenaardigheid: imperfecties in de spiegels en de uitlijning zorgen ervoor dat het licht binnenin een reeks ringen vormt in plaats van één enkel solide punt. Bovendien verandert de grootte van deze ringen afhankelijk van de exacte kleur, of frequentie, van het gebruikte laserlicht. In het verleden werd dit gedrag gezien als een probleem dat beperkte hoeveel van de atoomwolk kon worden gebruikt. De onderzoekers realiseerden zich dat ze, in plaats van dit effect te bevechten, er juist op konden meeliften. Door de laserfrequentie snel over een reeks waarden te laten variëren (sweepen), konden ze de heldere ring van licht groter en kleiner maken, waardoor ze effectief over de gehele wolk van atomen scanden.

Het team testte dit idee met een wolk rubidiumatomen die gekoeld was tot een temperatuur van slechts 2,5 microkelvin. Ze lanceerden deze wolk verticaal de lucht in en wachtten tot deze het hoogtepunt van haar vlucht bereikte, waar ze zeer langzaam bewoog. Op dat punt vuurden ze een laserpuls af om de atoomgolven te splitsen en weer samen te voegen. In een traditionele opstelling waarbij de laserfrequentie constant wordt gehouden, zou het licht alleen efficiënt interageren met een fractie van de atomen in het centrum van de wolk, waardoor de rest onberoerd blijft. Dit resulteerde in een zeer lage efficiëntie, waarbij slechts ongeveer 5 procent van de atomen succesvol naar de gewenste toestand werd overgebracht. Wanneer de onderzoekers de laserfrequentie over de resonantie lieten variëren terwijl ze de helderheid van de straal zorgvuldig aanpasten, werd de interactie echter uniform. De bewegende ring van licht scande over de volledige breedte van 15,6 millimeter van de atoomwolk, waardoor elk deel van de wolk dezelfde duw kreeg.

Deze eenvoudige verandering in strategie leverde een spectaculaire verbetering op. De efficiëntie van het overbrengen van de atomen naar de nieuwe toestand sprong van 5 procent naar 28 procent. Dit is een aanzienlijke winst, vooral gezien het feit dat de wolk veel breder was dan de natuurlijke grootte van de lichtstraal binnen de caviteit. De onderzoekers waren in staat dit te bereiken door te compenseren voor het feit dat het licht van nature zwakker is aan de randen van de caviteit; ze vormden de puls zodanig dat de atomen aan de rand evenveel energie ontvingen als die in het centrum. Het resultaat was een bijna uniform interactiegebied dat de hele wolk besloeg, iets wat onmogelijk was met een statische laserstraal.

Naast het efficiënter bewegen van atomen, demonstreerde het team dat deze scanningsmethode de delicate kwantumeigenschappen die nodig zijn voor interferometrie behoudt. Ze bouwden een drie-puls interferometer, een apparaat dat de atoomgolven splitst, ze een korte tijd laat reizen en ze vervolgens weer samenbrengt om het verschil in hun paden te meten. Met behulp van hun "gechirpte", of frequentie-variërende, pulsen slaagden ze erin een interferentiepatroon te creëren, wat het signaal is dat bewijst dat de atomen als coherente golven optreden. Het signaal vertoonde een contrast van 24 procent, wat aangeeft dat de atomen gedurende het hele proces in fase bleven met elkaar. Dit bewijst dat de scanningsmethode de kwantuminformatie niet verstoort, ook al beweegt het licht en verandert de vorm ervan tijdens de interactie.

De onderzoekers merkten op dat het signaal iets verzwakte naarmate de tijd tussen de pulsen toenam, waarschijnlijk door minuscule trillingen in de apparatuur die de spiegels ten opzichte van elkaar verschoven. Ze zijn echter ervan overtuigd dat deze problemen beheersbaar zijn met betere stabilisatie. Het werk vestigt de opvatting dat dynamische excitatie van deze speciale caviteiten een levensvatbare weg vooruit is voor het bouwen van grotere en gevoeliger atoominterferometers. Door een ruimtelijke imperfectie in een scanningsbron te veranderen, heeft het team de deur geopend naar het gebruik van deze krachtige lichtvallen voor veel grotere en nauwkeurigere metingen dan voorheen voor mogelijk werd gehouden. Deze aanpak zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe instrumenten voor het in kaart brengen van de zwaartekracht van de aarde of het testen van de fundamentele wetten van de fysica met ongekende helderheid.