原子干渉計

原子干渉法の典型的な手法は、光パルスを用いて原子物質波を分割、反射、再結合させるものである。この手法は、1991年の論文の著者らにちなんでカセビッチ・チュー原子干渉計とも呼ばれる。^{[ 29 ]}この方法は、2つの量子状態間の遷移を引き起こす逆方向に伝搬する光ビームを用いる。${\displaystyle |0\rangle }$そして${\displaystyle |1\rangle }$[ ^{30 ]両方のレーザーは、原子の共鳴励起と加熱を避けるために、}励起状態から周波数Δだけオフ共鳴に調整されています。

原子のスピン状態を変化させることに加えて、逆伝播ラマン遷移は運動量キックをもたらす。${\displaystyle \hbar {\vec {k}}_{eff}=\hbar ({\vec {k}}_{2}-{\vec {k}}_{1})}$構成要素の1つへ。^{[ 30 ]}スピン運動量基底では、原子と相互作用するラマン光パルスは、${\displaystyle |0,0\rangle }$そして${\displaystyle |1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle }$適用する${\displaystyle \pi /2}$パルス光（ラムゼイ干渉計を参照）${\displaystyle \psi _{0}=|0,0\rangle }$もつれ状態 を生成する${\displaystyle \psi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|0,0\rangle +|1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle \right)}$。

干渉計は、3 つのラマンパルスによって形成され、${\displaystyle \pi /2}$–${\displaystyle \pi }$–${\displaystyle \pi /2}$共通の非相互作用時間で区切られた構成${\displaystyle T}$この方式は、光に対するマッハ・ツェンダー干渉計に類似しており、最初のパルスが物質波を2つの異なる軌道に沿って伝播するように分割し、2番目のパルスがパケットを互いに反射させ、最後のパルスが物質波を再結合させる。干渉計シーケンス後の物質波の測定状態は、全位相差に依存する。${\displaystyle \Delta \varphi }$2つの異なる軌跡に沿って蓄積され、最終的にいずれかの状態にある確率は^{[ 31 ]となる。}$${\displaystyle P={\frac {1}{2}}\left(1-C\cos(\Delta \varphi )\right),}$$どこ${\displaystyle C}$位相差とは、干渉計の縞模様の見え方、つまりコントラストのことです。物質波は重力に対して自由落下しているため、位相差は重力加速度に依存します。${\displaystyle g}$[ ^{30 ]​}$${\displaystyle \Delta \varphi ={\vec {k}}_{eff}\cdot {\vec {g}}~T^{2}+\Delta \phi _{L},}$$どこ${\displaystyle \Delta \phi _{L}}$ラマンレーザービームの光パルス間に生じる追加の位相差は、光パルス間に生じる位相差である。^{[ 32 ]}

干渉計の重力または慣性力に対する感度は、以下の要因に依存します。

• 干渉計によって囲まれた時空領域は、サイズが大きくなるにつれて増加します。${\displaystyle T}$[ ^{33 ]​}
• 対向伝搬するラマンビームの相対的な位相安定性。
• 冷たく閉じ込められた原子群の中で干渉計を構成する原子の数。参加する原子の割合が増加すると、${\displaystyle C}$ドップラー効果により、有限温度の原子は正確には${\displaystyle \pi /2}$または${\displaystyle \pi }$ラマンパルス。

重力赤方偏移の精密測定は、2009年にホルガー・ミュラー、アヒム・ピーターズ、スティーブン・チューによって行われた。一般相対性理論の違反は発見されなかった。7 × 10 ⁻⁹ . ^{[ 34 ]}

2020年、ピーター・アセンバウム、クリス・オーバーストリート、ミンジョン・キム、ジョセフ・カーティ、マーク・A・カセビッチは、原子干渉法を用いて一般相対性理論の等価原理を検証した。彼らは、約10 ⁻¹² . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

原子干渉計の外部影響に対する感度は、物質波の分離時間が長くなるにつれて一般的に向上します。^{[ 34 ]}そのため、高感度自由落下干渉計には長い落下距離が必要です。例えば、フェルミラボのMAGIS-100実験では、重力波と超軽量暗黒物質を検出することを目的として100メートルの落下塔を使用しています。^{[ 37 ]}超軽量暗黒物質は、通常の物質とは重力のみを介して相互作用することが知られています。

宇宙空間に設置された原子干渉計は、LIGOのような地上観測所よりも弱い重力波に対して感度が高い可能性がある。^{[ 38 ]}

原子干渉計ジャイロスコープ（AIG）と原子スピンジャイロスコープ（ASG）は、回転を検出するために原子干渉計を使用するか、後者の場合は回転を検出するために原子スピンを使用し、どちらも小型で高精度であり、チップスケールで製造できる可能性がある。^{[ 39 ] [ 40 ]}