原子干渉計

原子干渉計は、原子の波のような性質を利用して干渉を起こす。原子干渉計では、物質と光の役割がレーザーベースの干渉計とは逆になっている。つまり、ビームスプリッターとミラーはレーザーであり、光源は光ではなく物質波（原子）を放射する。原子干渉計は、異なる経路に沿った原子物質波の位相差を測定する。物質波は、レーザーシステムを使用して制御および操作される。^{[1] : 420–1}原子干渉計は、重力定数、微細構造定数、自由落下の普遍性 の測定など、基礎物理学のテストに使用されている。原子干渉計の応用用途には、加速度計、回転センサー、重力勾配計などがある。^[2]

干渉計は、波を2つの異なる経路に沿って重ね合わせに分割します。空間依存のポテンシャルまたは局所的な相互作用によって経路が区別され、波間に位相差が生じます。原子干渉計は、短いド・ブロイ波長を持つ質量中心の物質波を使用します。^{[3] [4]分子のより短​​いド・ブロイ波長を利用して量子力学の限界を探るために、}分子 を使用した実験が提案されています。^[5]

原子を使用すると光よりも高い周波数（したがって精度）に簡単にアクセスできますが、原子は重力の影響をはるかに強く受けます。一部の装置では、原子は上方に放出され、原子が飛行中または自由飛行で落下している間に干渉測定が行われます。他の実験では、自由加速による重力の影響は打ち消されず、追加の力が重力を補正するために使用されます。これらの誘導システムは原理的には任意の量の測定時間を提供できますが、その量子コヒーレンスはまだ議論中です。最近の理論的研究は、コヒーレンスが誘導システムで確かに保持されることを示唆していますが、これはまだ実験的に確認されていません。

初期の原子干渉計では、ビームスプリッターとミラーにスリットやワイヤーが使用されていました。その後のシステム、特に誘導型システムでは、物質波の分割と反射に光の力を使用しました。^[6]

原子物質波の干渉は、1930年にイマヌエル・エステルマンとオットー・シュテルンによって初めて観測され、このときナトリウム（Na）ビームが塩化ナトリウム（NaCl）の表面で回折された。^[7] 報告された最初の現代的な原子干渉計は、 1991年にO・カーナルとユルゲン・ムリネックによって行われた準安定ヘリウム原子と微細加工された二重スリットを用いた二重スリット実験であり、 ^[8]マサチューセッツ工科大学（MIT）のデイビッド・E・プリチャードのグループによる3つの微細加工回折格子とNa原子を使用した干渉計であった。 ^{[9]その後まもなく、原子時計で一般的に使用される}ラムゼー分光計の光学バージョンが、ドイツのブラウンシュヴァイクにある物理工学連邦研究所（PTB）で原子干渉計としても認識された。^[10]原子の部分波束間の最大の物理的分離は、スタンフォード大学のスティーブン・チューと彼の同僚によってレーザー冷却技術と誘導ラマン遷移を使用して達成されました。^[11]

1999年にウィーン大学の研究者らによる_C60 フラーレンの回折が報告された。^[12]フラーレンは比較的大きくて質量の大きい物体で、原子量は約720  Da。入射ビームの ド・ブロイ波長は約2.5 pmであるのに対し、分子の直径は約1  nmで、約400倍大きい。2012年には、これらの遠距離場回折実験を、それぞれ58個と114個の原子で構成されるフタロシアニン分子とそのより重い誘導体にまで拡張することができた。これらの実験では、このような干渉パターンの形成をリアルタイムで単一分子感度で記録することができた。^[13]

2003年に、ウィーングループはテトラフェニルポルフィリン^[14]の波動性も実証しました。テトラフェニルポルフィリンは、約2nmの広がりと614Daの質量を持つ平らなバイオ染料です。この実証には、近接場タルボ・ラウ干渉計を使用しました。^{[15] [16]}同じ干渉計で、108個の原子で構成され、質量が約1600Daのフッ素化バッキーボールであるC ₆₀ F _{48の干渉縞も発見しました。} ^[14]大きな分子はすでに非常に複雑なので、量子-古典インターフェースのいくつかの側面、つまり特定のデコヒーレンスメカニズムに実験的にアクセスできます。^{[17] [18]} 2011年には、6910Daの重い分子の干渉がカピツァ・ディラック・タルボ・ラウ干渉計で実証されました。^[19] 2013年には10,000Daを超える分子の干渉が実証されました。^[20]

2008年にAlexander D. Cronin、Jörg Schmiedmayer、David E. Pritchardがまとめた包括的なレビューでは、原子干渉計に対する多くの新しい実験的アプローチが文書化されています。^[21] 最近では、原子干渉計は実験室の環境から抜け出し、現実世界の環境でのさまざまな用途に使用され始めています。^{[22] [23]}

2009年にホルガー・ミュラー、アヒム・ピータース、スティーブン・チューによって重力赤方偏移の正確な測定が行われた。一般相対性理論に反する結果は発見されなかった。7 × 10 ⁻⁹ . ^[24]

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 . ^{[25] [26]}

実用的なモデルを作った最初のチームであるプリチャードのチームは、デビッド・キースによって推進されました。^[27]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、回転を感知するために原子干渉計を使用するか、後者の場合は原子スピンを使用して回転を感知します。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ります。^{[28] [29] 「AIジャイロ」は、将来の}慣性誘導アプリケーションで、ASGとともに、確立されたリングレーザージャイロスコープ、光ファイバージャイロスコープ、半球共振器ジャイロスコープと競合する可能性があります。^[30]

• 電子干渉計
• ラムゼー干渉法

• PR Berman [編集者]、「Atom Interferometry」、Academic Press (1997)。当時の原子干渉計の詳細な概要 (優れた紹介と理論)。
• サニャック効果に関するステッドマンレビュー