Атомный интерферометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Атомный интерферометр - прибор, позволяющий наблюдать стационарную картину интерференции двух сдвинутых по фазе компонент к--л. состояния атома. В принципе такое устройство аналогично обычному двухлучевому оптич. интерферометру.

Принцип действия атомного интерферометра может быть пояснён следующим примером. Пучок атомов водорода в метастабиль-ном состоянии 2S_1/2 последовательно проходит через две пространственно разделённые зоны 1 и 2, внутри к-рых атомы подвергаются воздействию неадиабатич. возмущения, вследствие чего становятся возможными их переходы в др. состояния, напр.

. Возмущающим фактором является электрич. поле, локализованное в пространстве между зонами (рис. 1), к-рое резко изменяется на границах, т. е. в пределах каждой зоны ширины d.

Рис. 1. Схема атомного интерферометра: 1 и 2 -входная и выходная электродные системы, 3-детекторы L_a-излучения, 4 - область действия дополнительного электрич. поля.

Для упрощения картины можно ограничиться рассмотрением двухуровневой системы

, что оправдано при не слишком сильных полях; в этом случае влияние уровня

сказывается слабо и может быть учтено малыми поправками. При пересечении первой границы атомы переходят в суперпозицию собств. состояний

с энергиями

, определяемыми величиной напряжённости электрич. поля E. На границе зоны 2, где поле убывает до нуля, возникнут компоненты пучка, представляющие как состояние

, так и состояние

, причем каждый из термов

даст начало паре таких состояний.

По выходе из поля амплитуды (здесь уже собственных) состояний

будут определяться амплитудами переходов и разностью фаз между компонентами каждой пары Эта разность зависит от времени пролета в поле и от частоты перехода между термами

, расщеплёнными электрич. полем (Штарка эффект ).Поскольку величина расщепления определяется напряженностью поля Е, то при ее монотонном изменении в прошедшем пучке будут наблюдаться периодические (происходящие в противофазе) колебания интенсивности потоков 2S- и 2Р-атомов, обусловленные интерференцией компонент каждой пары: (2S)₁-(2S)₂ и (2P)₁-(2P)₂. Такое же явление будет наблюдаться при изменении времени пролета t, определяемого расстоянием l между границами поля (l>d).

Наблюдение картины интерференции можно осуществить измерением потока короткоживущих 2P-атомов. Детектор, расположенный за второй границей, будет регистрировать фотоны, отвечающие переходу 2Р-1S, т. е. головную линию серии Лаймана

с длиной волны 1216

. Можно также наблюдать происходящую в противофазе интерференцию 2S-компонент, для чего необходимо пропустить пучок 2S-атомов через дополнит. электрич. поле, перемешивающее состояния 2S и 2Р.

В двухуровневой системе 2S_1/2-2P_1/2, имеют место переходы между S- и Р-подуровнями сверхтонкой структуры с проекциями F_z квантового числа суммарного момента F ядра и электрона, равными 1,0 и -1 (рис. 2). T. к. разности энергий для переходов с

1 (согласно отбора правилам)совпадают, результирующая интенсивность 2Р-компоненты пучка будет определяться суммой трёх слагаемых, соответствующих этим переходам:

. Если положить х=<d>, где <d> - матричный элемент перехода 2S_1/2-2P_1/2, a

-лэмбовский сдвиг, то вероятность выхода

-атомов для каждой i-й компоненты будет определяться выражением вида

Атомный интерферометр представляет собой помещенную в вакуум систему из 2 электродов (создающих неадиабатически изменяющееся на границах поле), длина к-рой зависит от скорости атомов пучка и составляет обычно 1-50 см. Особенности тонкой структуры

-уровней атомов водорода оптимально проявляются при х~1, чему соответствует E ~ 300 В/см.

На рис. 3 показаны кривые интерференции компонент 2Р-состояния атома водорода (являющейся оптич. аналогом эффекта Пайса - Пиччони для системы

; см, К-мезоны).

Наблюдение атомных состояний в течение длительного времени при помощи А. и. позволяет осуществить качественно новые эксперименты, поскольку картина интерференции, зарегистрированная в широком интервале сдвига фаз, чрезвычайно чувствительна к характеристикам её компонент.

Рис. 2. Сверхтонкая структура 2S_1/2 -, 2Р_1/2 -уровней атома водорода (масштаб не выдержан)

Одним из примеров применения А. и. является измерение лэмбовского сдвига в атоме водорода. Из ф-лы для двухэлектродного интерферометра следует, что аксперим. зависимость выхода 2Р-атомов от E и t позволяет в принципе найти величину

Рис. 3. Зависимость интенсивности

компоненты 2Р от напряжённости электрич. поля E для времени пролёта t=2,5512*l0^-9 с (а) и от t при E = 400 В/см (б).

Однако определение её с точностью ~10^-6 оказывается затруднительным из-за сложного поведения атома в поле и неопределённости характеристик этого поля, особенно вблизи отверстий в электродах для прохода пучка.

Для точного измерения

применяется т. н. двойной А. и. с двумя двухэлектродными системами (типа, изображённого на рис. 1), разделёнными промежутком L. Атом водорода в состоянии

, пролетающий через такой интерферометр, последовательно подвергается действию неадиабатич. полей во входной и выходной электродных системах, к-рое приводит к перемешиванию состояний 2S и 2Р. Роль первой системы сводится к созданию суперпозиции 2S-, 2Р-состояний из исходного состояния 2S. Для того чтобы экспериментально найти сдвиг фаз 2S- и 2Р-компонент пучка после пролёта атомом расстояния L, используется, в качестве анализатора, вторая двухэлектродная система, образующая компоненты 2Р-состояния как из 2P-, так и из 2S-состояний. Интерференцию этих компонент наблюдают при помощи детектора L_a-квантов.

Процессы, происходящие в интерферометре, удобно рассматривать в системе покоящегося атома. В этом случае на атом будут действовать два импульса электрич. поля, разделённые промежутком времени t=

, где

-скорость атома. В промежутке между электродными системами, т. е. в области, где поля нет, состояния 2S и 2Р являются собственными и их эволюция определяется точно.

Поэтому можно написать точное выражение для вероятности выхода 2Р-атомов после пролёта через двойной

интерферометр как функции длины L или времени пролёта t (E₁, E₂ - величины напряжённостей электрич. полей во входной и выходной двухэлектродных системах). Существенно, что при эксперим. определении зависимости

в качестве переменной L можно взять не абс. значение длины, а её приращение, отсчитанное от некрой произвольной точки.

Литература по атомным интерферометрам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.