Atominterferometer

Ein Atominterferometer ist ein Interferometer, das die Wellen-Eigenschaften von Atomen nutzt. Mit Atominterferometern können fundamentale Konstanten wie die Gravitationskonstante mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, möglicherweise aber auch Phänomene wie Gravitationswellen untersucht werden.[1]

Überblick

Interferometrie basiert auf Wellen-Eigenschaften. Wie von Louis de Broglie in seiner Dissertation postuliert wurde, können sich Teilchen, also auch Atome, wie Wellen verhalten (sogenannter Welle-Teilchen-Dualismus) – das ist ein zentrales Prinzip der Quantenmechanik. Wenn in Experimenten eine sehr hohe Genauigkeit gefordert ist, werden zunehmend Atominterferometer verwendet, da Atome eine sehr kleine De-Broglie-Wellenlänge aufweisen. Einige Experimente verwenden inzwischen sogar Moleküle, um noch kleinere Wellenlängen zu erreichen und nach den Grenzen der Gültigkeit der Quantenmechanik zu suchen.[2] In vielen Experimenten mit Atomen werden die Rollen von Materie und Licht im Vergleich zu Laser-basierten Interferometern vertauscht; Anstelle von Licht interferiert die Materie. Die Kontrolle der Quantenzustände der interferierenden Atome erfolgt über Laserstrahlung. Die Wirkung dieser Laserstrahlen entspricht z. B. den Spiegeln und Strahlteilern bei einem optischen Interferometer.

Interferometertypen

Die Verwendung von Atomen ermöglicht es, höhere Frequenzen (und damit Genauigkeiten) zu nutzen als bei Licht, gleichzeitig sind Atome aber auch stärker der Schwerkraft ausgesetzt. In einigen Vorrichtungen werden die Atome nach oben ausgestoßen und die Interferometrie erfolgt während sich die Atome im Flug oder im freien Fall befinden. In anderen Experimenten werden zusätzliche Kräfte aufgebracht um die Gravitationskräfte zu kompensieren. Diese geführten Systeme erlauben prinzipiell unbegrenzt lange Messzeiten, ihre Kohärenz wird aber immer noch diskutiert. Neuere theoretische Untersuchungen lassen darauf schließen, dass die Kohärenz in geführten Systemen erhalten bleibt, dieses ist aber noch experimentell zu bestätigen.

Die ersten Atominterferometer verwendeten Schlitze oder Drähte als Strahlteiler und Spiegel. Spätere Systeme, insbesondere die geführten, verwendeten Lichtkräfte für die Aufteilung und Reflexion der Materiewelle.[3]

Beispiele
Gruppe	Jahr	Atomarten	Methode	Gemessene(r) Effekt(e)
Pritchard	1991	Na, Na₂	nanostrukturiertes Beugungsgitter	Polarisierbarkeit, Brechungsindex
Clauser	1994	K	Talbot-Lau-Interferometer (nutzt den Talbot-Effekt)
Zeilinger	1995	Ar	Beugungsgitter aus stehenden Lichtwellen
Sterr (PTB)			Ramsey-Bordé	Polarisierbarkeit, Aharonov-Bohm-Effekt: exp/theo $0{,}99\pm 0{,}022$ , Sagnac $0{,}3\ \mathrm {rad/s{\sqrt {Hz}}}$
Kasevich, Chu			Doppler-Effekt bei fallenden Atomen	Gravimeter: $3\cdot 10^{-10}$ Rotation: $2\cdot 10^{-8}\ \mathrm {/s/{\sqrt {Hz}}}$ , Feinstrukturkonstante: $\alpha \pm 1{,}5\cdot 10^{-9}$

Geschichte

Die Trennung von Materiewellen kompletter Atome wurde 1929 das erste Mal beobachtet von Estermann und Stern als Wasserstoff und Helium-Strahlen an einer Oberfläche von Natriumchlorid gebeugt wurden.[4] Die ersten berichteten modernen Atominterferometer waren 1991 ein Doppelspaltexperiment nach Young mit metastabilen Helium-Atomen und einem mikrostrukturierten Doppelspalt von Carnal and Mlynek[5] und ein Interferometer mit drei mikrostrukturierten Beugungsgittern und Natrium-Atomen in der Gruppe um Pritchard beim MIT.[6] Kurz danach wurde bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) festgestellt, dass ein optisches Ramsey-Spektrometer, welches üblicherweise in Atomuhren verwendet wird, auch als Atominterferometer verwendet werden kann.[7] Die größte räumliche Trennung zwischen Paketen von Partialwellen wurde erzielt mittels Laserkühlung und stimulierten Raman-Übergängen durch Chu und Mitarbeiter in Stanford.[8]

Literatur

Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer, David E. Pritchard: Optics and interferometry with atoms and molecules. In: Reviews of Modern Physics. Band 81, Nr. 3, 28. Juli 2009, S. 1051–1129, doi:10.1103/RevModPhys.81.1051.

C. S. Adams: Atom optics. In: Contemporary Physics. Band 35, Nr. 1, 1994, S. 1–19, doi:10.1080/00107519408217492 (Übersicht zu Atom-Licht-Wechselwirkungen).

Paul R. Berman (Hrsg.): Atom Interferometry. Academic Press, 1997, ISBN 978-0-08-052768-0 (Detaillierte Übersicht der Atominterferometer zu dieser Zeit; gute Einführungen und Theorie).

Uwe Sterr, Fritz Riehle: Atominterferometrie. In: PTB-Mitteilungen. Band 119, Nr. 2, 2009, S. 159–166 (Atominterferometrie (Memento vom 29. Dezember 2013 im Internet Archive) [PDF; 5,6 MB; abgerufen am 17. Juni 2016]).

Einzelnachweise

Savas Dimopoulos, Peter W. Graham, Jason M. Hogan, Mark A. Kasevich, Surjeet Rajendran: Gravitational wave detection with atom interferometry. In: Physics Letters B. Band 678, Nr. 1, 6. Juli 2009, S. 37–40, doi:10.1016/j.physletb.2009.06.011.
Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Philipp Haslinger, Stefan Nimmrichter, Markus Arndt: Colloquium: Quantum interference of clusters and molecules. In: Reviews of Modern Physics. Band 84, Nr. 1, 8. Februar 2012, S. 157–173, doi:10.1103/RevModPhys.84.157.
Ernst M. Rasel, Markus K. Oberthaler, Herman Batelaan, Jörg Schmiedmayer, Anton Zeilinger: Atom Wave Interferometry with Diffraction Gratings of Light. In: Physical Review Letters. Band 75, Nr. 14, 2. Oktober 1995, S. 2633–2637, doi:10.1103/PhysRevLett.75.2633.
I. Estermann, O. Stern: Beugung von Molekularstrahlen. In: Zeitschrift für Physik. Band 61, Nr. 1-2, 1. Januar 1930, S. 95–125, doi:10.1007/BF01340293.
O. Carnal, J. Mlynek: Young’s double-slit experiment with atoms: A simple atom interferometer. In: Physical Review Letters. Band 66, Nr. 21, 27. Mai 1991, S. 2689–2692, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2689.
David W. Keith, Christopher R. Ekstrom, Quentin A. Turchette, David E. Pritchard: An interferometer for atoms. In: Physical Review Letters. Band 66, Nr. 21, 27. Mai 1991, S. 2693–2696, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2693.
F. Riehle, Th. Kisters, A. Witte, J. Helmcke, Ch. J. Bordé: Optical Ramsey spectroscopy in a rotating frame: Sagnac effect in a matter-wave interferometer. In: Physical Review Letters. Band 67, Nr. 2, 8. Juli 1991, S. 177–180, doi:10.1103/PhysRevLett.67.177.
M. Kasevich, S. Chu: Measurement of the gravitational acceleration of an atom with a light-pulse atom interferometer. In: Applied Physics B. Band 54, Nr. 5, 1. Mai 1992, S. 321–332, doi:10.1007/BF00325375.

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[1] Savas Dimopoulos, Peter W. Graham, Jason M. Hogan, Mark A. Kasevich, Surjeet Rajendran: Gravitational wave detection with atom interferometry. In: Physics Letters B. Band 678, Nr. 1, 6. Juli 2009, S. 37–40, doi:10.1016/j.physletb.2009.06.011.

[2] Klaus Hornberger, Stefan Gerlich, Philipp Haslinger, Stefan Nimmrichter, Markus Arndt: Colloquium: Quantum interference of clusters and molecules. In: Reviews of Modern Physics. Band 84, Nr. 1, 8. Februar 2012, S. 157–173, doi:10.1103/RevModPhys.84.157.

[3] Ernst M. Rasel, Markus K. Oberthaler, Herman Batelaan, Jörg Schmiedmayer, Anton Zeilinger: Atom Wave Interferometry with Diffraction Gratings of Light. In: Physical Review Letters. Band 75, Nr. 14, 2. Oktober 1995, S. 2633–2637, doi:10.1103/PhysRevLett.75.2633.

[4] I. Estermann, O. Stern: Beugung von Molekularstrahlen. In: Zeitschrift für Physik. Band 61, Nr. 1-2, 1. Januar 1930, S. 95–125, doi:10.1007/BF01340293.

[5] O. Carnal, J. Mlynek: Young’s double-slit experiment with atoms: A simple atom interferometer. In: Physical Review Letters. Band 66, Nr. 21, 27. Mai 1991, S. 2689–2692, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2689.

[6] David W. Keith, Christopher R. Ekstrom, Quentin A. Turchette, David E. Pritchard: An interferometer for atoms. In: Physical Review Letters. Band 66, Nr. 21, 27. Mai 1991, S. 2693–2696, doi:10.1103/PhysRevLett.66.2693.

[7] F. Riehle, Th. Kisters, A. Witte, J. Helmcke, Ch. J. Bordé: Optical Ramsey spectroscopy in a rotating frame: Sagnac effect in a matter-wave interferometer. In: Physical Review Letters. Band 67, Nr. 2, 8. Juli 1991, S. 177–180, doi:10.1103/PhysRevLett.67.177.

[8] M. Kasevich, S. Chu: Measurement of the gravitational acceleration of an atom with a light-pulse atom interferometer. In: Applied Physics B. Band 54, Nr. 5, 1. Mai 1992, S. 321–332, doi:10.1007/BF00325375.