A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Para medir o mundo com extrema precisão, os cientistas frequentemente recorrem aos átomos. Ao resfriar nuvens de átomos até que eles se movam quase tão lentamente quanto uma folha à deriva, os pesquisadores podem tratá-los como ondas de luz. Essas ondas de matéria podem ser divididas, enviadas por diferentes caminhos e depois recombinadas para revelar as menores mudanças na gravidade, rotação ou tempo. A chave para esse processo é a luz do laser usada para impulsionar os átomos. Para obter as medições mais sensíveis, os cientistas precisam empurrar esses átomos com um feixe de luz forte e uniforme que cubra uma ampla área. No entanto, criar tal feixe é difícil porque a luz tende a se espalhar e perder sua força ao longo da distância. Para resolver isso, os cientistas usam cavidades ópticas, que são essencialmente espelhos que aprisionam a luz e a fazem ricochetear de um lado para o outro para aumentar a intensidade. Embora essas cavidades sejam poderosas, elas geralmente funcionam melhor com feixes muito específicos e estreitos, tornando-as inadequadas para as nuvens largas de átomos necessárias para os experimentos mais sensíveis.

Uma equipe de pesquisadores encontrou uma maneira inteligente de transformar uma grande falha dessas cavidades de feixe largo em uma ferramenta útil. Em seu experimento, eles usaram um tipo especial de configuração de espelho conhecido como ressonador marginalmente estável. Embora essas configurações possam suportar feixes grandes, elas sofrem com uma peculiaridade: imperfeições nos espelhos e no alinhamento fazem com que a luz dentro delas forme uma série de anéis em vez de um único ponto sólido. Além disso, o tamanho desses anéis muda dependendo da cor exata, ou frequência, da luz do laser utilizada. No passado, esse comportamento era visto como um problema que limitava o quanto da nuvem de átomos poderia ser usada. Os pesquisadores perceberam que, em vez de lutar contra esse efeito, poderiam "surfar" nele. Ao varrer rapidamente a frequência do laser através de uma gama de valores, eles puderam fazer o anel brilhante de luz crescer e encolher, efetivamente escaneando toda a nuvem de átomos.

A equipe testou essa ideia usando uma nuvem de átomos de rubídio resfriada a uma temperatura de apenas 2,5 microkelvin. Eles lançaram essa nuvem verticalmente no ar e esperaram até que ela atingisse o pico de seu voo, onde se movia muito lentamente. Nesse ponto, dispararam um pulso de laser para dividir e recombinar as ondas de átomos. Em uma configuração tradicional, onde a frequência do laser é mantida constante, a luz interagiria eficientemente apenas com uma pequena fração dos átomos no centro da nuvem, deixando o restante intocado. Isso resultava em uma eficiência muito baixa, com apenas cerca de 5 por cento dos átomos sendo transferidos com sucesso para o estado desejado. Em contraste, quando os pesquisadores varreram a frequência do laser através da ressonância enquanto ajustavam cuidadosamente o brilho do feixe, a interação tornou-se uniforme. O anel de luz em movimento escaneou toda a largura de 15,6 milímetros da nuvem de átomos, garantindo que cada parte da nuvem recebesse o mesmo impulso.

Essa simples mudança de estratégia produziu uma melhoria dramática. A eficiência de transferência dos átomos para o novo estado saltou de 5 por cento para 28 por cento. Este é um ganho significativo, especialmente considerando que a nuvem era muito mais larga do que o tamanho natural do feixe de luz dentro da cavidade. Os pesquisadores foram capazes de alcançar isso compensando o fato de que a luz é naturalmente mais fraca nas bordas da cavidade; eles moldaram o pulso para que os átomos na borda recebessem tanta energia quanto os do centro. O resultado foi uma região de interação quase uniforme que cobriu toda a nuvem, algo que era impossível com um feixe de laser estático.

Além de mover os átomos de forma mais eficiente, a equipe demonstrou que este método de varredura preserva as delicadas propriedades quânticas necessárias para a interferometria. Eles construíram um interferômetro de três pulsos, um dispositivo que divide as ondas de átomos, deixa-as viajar por um curto tempo e depois as traz de volta para medir a diferença em seus caminhos. Usando seus pulsos "chirped", ou de frequência varrida, eles conseguiram criar um padrão de interferência, que é o sinal que prova que os átomos estão agindo como ondas coerentes. O sinal mostrou um contraste de 24 por cento, indicando que os átomos permaneceram em sincronia uns com os outros durante todo o processo. Isso prova que a técnica de varredura não embaralha a informação quântica, mesmo que a luz esteja se movendo e mudando de forma durante a interação.

Os pesquisadores observaram que o sinal enfraqueceu ligeiramente à medida que o tempo entre os pulsos aumentava, provavelmente devido a pequenas vibrações no equipamento que deslocaram os espelhos em relação uns aos outros. No entanto, eles estão confiantes de que esses problemas podem ser gerenciados com uma melhor estabilização. O trabalho estabelece que a excitação dinâmica dessas cavidades especiais é um caminho viável para a construção de interferômetros de átomos de grande área. Ao transformar uma imperfeição espacial em um recurso de varredura, a equipe abriu as portas para o uso desses poderosos aprisionadores de luz para medições muito maiores e mais sensíveis do que o anteriormente pensado ser possível. Essa abordagem poderá eventualmente levar a novas ferramentas para mapear a gravidade da Terra ou testar as leis fundamentais da física com uma clareza sem precedentes.