L; атомната оптика укротява вълните на материята За науката
Според квантовата физика частиците на материята също са вълни. Можем ли тогава да разработим за атомите еквивалента на оптични инструменти, като огледала, лещи, интерферометри и дори атомни лазери? Отговорът е да !
Атомната версия на интерференционния експеримент на Йънг. Вълните на материята представляват амплитудите на вероятността за присъствие на атомите. В този експеримент атомите се делокализират в напречна посока, така че не е известно през кой процеп преминават. Вероятните вълни се намесват и въздействието на атомите върху екрана на детектора привлича смущения.
През 1923 г. Луи дьо Бройл предлага да разшири тази двойственост и върху материята: към материална частица (електрон, протон, неутрон или атом ...), той асоциира вълна, чиито характеристики са дадени от същите отношения на Планк-Айнщайн. През 1927 г. Клинтън Дейвисън и Лестър Гермер ярко потвърждават хипотезата на де Бройл чрез експерименти с дифракцията на електронен лъч: електроните, подобно на светлината, образуват интерференционни модели. Де Бройл получава Нобелова награда през 1929 г. за изобретяването на тази „вълнова механика“, предварително фигурираща квантова механика, за която обаче никога не приема вероятностната интерпретация.
Днес караме атомите да се намесват и осъзнаваме устройства, невъобразими преди няколко десетилетия, като жироскопи с атомна вълна, с чувствителност, която никога не се достига от "светлинна" оптика. Също така е възможно да се получат лъчи от кохерентни атоми, еквивалентни на лазерни лъчи. За момента тези лъчи са последователности от импулси, но ние се движим към производството на лъчи в непрекъснат режим.
Дискретна атомна вълна
Според квантовата физика поведението на частицата, каквато и да е тя, вече се описва не чрез нейното положение и скорост във всеки момент, а чрез вероятностно разпределение, чиято амплитуда е квантовият аналог на амплитудата на електромагнитното поле (квадратен корен от интензитета на светлината). След това представяме частица като размазано петно, което представлява областта на пространството, където вероятността за откриването му е максимална: ширината на петно определя дължината на кохерентност на вълните на материята, т.е. са забележими. Когато позицията на частицата е добре известна, петното е почти точково. В този случай скоростта на частицата не може да бъде напълно известна, съгласно принципа на несигурност, заявен от Вернер Хайзенберг през 1927 г. Обратно, петното е толкова по-голямо, тъй като скоростта на атомите е добре известна. Така че, когато температурата на атомите падне, техните скорости и особено дисперсията на техните скорости също намаляват, така че петната, които ги представляват, се разширяват, улеснявайки наблюдението на интерференционни ресни.
Всъщност вълновите прояви на атомите, като интерференция, е трудно да се наблюдават при стайна температура, където частиците имат скорост от няколкостотин метра в секунда и дължини на вълните от порядъка на хилядна част от нанометър. От друга страна, при изключително ниските температури, достъпни благодарение на лазерното охлаждане (вж. Студените атоми и квантовите кондензати, от D. Guéry-Odelin и J. Dalibard, в това досие), атомите могат да се забавят и дължините на вълните на материята да станат достатъчно голям (няколкостотин нанометра), за да може да се създаде атомна интерференция.
Първите експерименти за демонстрация на тези „атомни вълни“ са проведени през 1990 г. в интерференционни експерименти от типа Young fringe (виж фигура 1). Избирайки набор от нискотемпературни атоми, получаваме лъч, чиято кохерентност (ширината на „делокализацията“ на тяхното петно) в напречна посока надвишава разстоянието между двата процепа. Следователно всеки атом в този лъч има еквивалентна вероятност да премине през единия или другия от процепите. На изхода на двата процепа наблюдаваме пристигането на атомите поотделно, но разпределението на въздействията постепенно разкрива интерференционен модел. Когато се опитваме да определим през кой процеп преминават атомите, например като ги караме да излъчват фотони, ние унищожаваме интерференционните ресни, точно както е предсказано от квантовата теория.
След това можем да се запитаме до какъв размер на частиците материя може да се наблюдава това „поведение на вълната“: не знаем отговора, но вече сме надхвърлили нанометричния мащаб на атома, наблюдавайки дифракцията на „големи» молекули на фулерен, съставени от 70 въглеродни атома.
Следователно атомната оптика има подобно на „светлинната“ оптика своите вълни, чиито дължини на вълните са толкова по-големи, тъй като атомите са по-бавни. След това можем да разгледаме, що се отнася до светлината, дизайна на основните елементи, които променят амплитудата и посоката на "атомните" лъчи, след това разработването на устройства, съставени от тези елементи, като телеобективи, телескопи и т.н. и т.н. Лазерните лъчи, тъй като влияят на движението на атомите, се превръщат в огледала или атомни лещи, способни да отклоняват или концентрират сноп от атоми, както и дифракционни решетки, способни да кохерентно разделят падащите потоци, по пътя на призмата за светлина.
Например, атомно огледало се получава чрез образуване на повърхността на стъклен субстрат, като отражателна обработка за атомите, излъчваща светлинна вълна. Когато атом се доближи до повърхността на субстрата, той се натъква на светещо поле с нарастваща интензивност и се подлага на сила, която противодейства на скоростта му: той отскача назад. Огледалото е ключов елемент на фотонната оптика, от съществено значение за направата на телескопи или лазерни кухини на астрофизиците. По същия начин огледалото с атоми фокусира или отклонява атомните вълни и също така служи за „съхранението“ им в кухини, резонансни или не. И накрая, чрез пространствено или времево модулиране на отражателната способност на огледалата се получават дифракционни решетки, които контролират или дори разделят амплитудата на атомните вълни (виж фигура 2).
Атомна интерферометрия: изключителна прецизност
По друг метод са разработени първите "устройства", базирани на атомна интерферометрия. Използвайки подходящ лазерен импулс, атомът се променя от начално квантово състояние към суперпозиция на две различни квантови състояния. Това създава регулируема атомна разделителна плоча, която разделя първоначалната атомна вълна на две вълни с различни характеристики. Последващото взаимодействие със светлината може просто да модифицира характеристиките на вълните, без да ги дублира, или да направи обратното, т.е. да рекомбинира двете вълни; след това получаваме атомен интерферометър (виж фигура 3). Както при светлинните интерферометри, интерференционните ресни разкриват разлики в пътищата на двете вълни: път, по-дълъг за едната, отколкото за другата, взаимодействие с препятствие за едната, а не за другата и т.н.
В светлинен интерферометър вълните се движат със скоростта на светлината, тоест много бързо! Много по-бавно, атомните вълни прекарват много повече време в интерферометъра. В резултат чувствителността на устройствата за атомна интерференция към възможни взаимодействия, на които са подложени атомите, е до 100 милиарда пъти по-голяма от чувствителността на устройствата за оптична интерференция. Тази изключителна чувствителност се използва за измерване с голяма точност, например ефекта на електрическо поле върху атома, масата на атома или въртенето или ускорението, претърпено от интерферометъра. (Който след това се превръща в инерционен сензор).