Il pettine di frequenza misura l’interferenza quantistica

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Una sorgente laser a più lunghezze d’onda nota come pettine di frequenza fornisce una nuova tecnica per l’interferometria atomica, che potenzialmente porta a nuovi test di fisica fondamentale.

Università C. Solaro/Sorbona

Interferire con gli atomi. Due raggi laser a pettine di frequenza, che viaggiano in direzioni opposte, vengono utilizzati per dividere e ricombinare pacchetti d’onda di atomi di rubidio freddo mentre cadono per gravità (a sinistra). Grazie alle diverse traiettorie seguite dai pacchetti d’onda, interferiscono quando si ricombinano. Quando i ricercatori variano le traiettorie (usando anche i pettini di frequenza), l’interferenza genera un insieme di oscillazioni (a destra), o “frange”, nell’intensità della luce emessa dagli atomi, da cui si può dedurre l’accelerazione di gravità con alta precisione.Interferire con gli atomi. Due raggi laser a pettine di frequenza, che viaggiano in direzioni opposte, vengono utilizzati per dividere e ricombinare pacchetti d’onda di atomi di rubidio freddo mentre cadono per gravità (a sinistra). Grazie alle diverse traiettorie i pacchetti d’onda seguono… Mostra di più

Nell’interferometria atomica, i ricercatori utilizzano l’interferenza delle onde quantistiche della materia, spesso per esperimenti ad alta precisione che testano i principi della fisica fondamentale. Un team di ricerca ha ora dimostrato un nuovo modo per produrre interferenza tra le onde della materia utilizzando un laser a pettine di frequenza, un insieme di linee spettrali simili a un pettine a frequenze regolarmente distanziate [1]. Il pettine ha permesso al team di generare interferenze in una nuvola di atomi freddi. Il metodo potrebbe infine essere utilizzato per indagare le differenze tra materia e antimateria.

Secondo il principio di equivalenza debole, la gravità deve far sì che sia la materia che l’antimateria cadano alla stessa velocità (vedi la spiegazione grafica, Il principio di equivalenza sotto un MICROSCOPIO). Deviazioni da questo principio potrebbero indicare spiegazioni per lo squilibrio finora misterioso nelle quantità di materia e antimateria nell’Universo. L’interferometria dell’atomo potrebbe fornire un test di equivalenza debole attraverso misurazioni precise della caduta libera dell’antiidrogeno. Finora, il controllo basato sulla luce dell’interferometria atomica ha utilizzato laser a onda continua (cw). [2]che non può essere facilmente esteso alle lunghezze d’onda corte nell’ultravioletto estremo (XUV) necessarie per tali studi sull’antiidrogeno.

I pettini di frequenza offrono un modo per aggirare questo ostacolo perché possono potenzialmente produrre luce XUV sintonizzata con precisione. Sono tipicamente prodotti da un treno di impulsi laser ultracorti che fornisce uno spettro di trasmettitori laser equidistanti (linee spettrali) tutti in una volta. Cyrille Solaro dell’Università della Sorbona di Parigi ei suoi collaboratori hanno ora dimostrato che un pettine di frequenza può essere utilizzato per generare interferenze all’interno di una nuvola di atomi di rubidio freddo in caduta libera.

Nell’esperimento, il pettine di frequenza crea una sovrapposizione quantistica, il che significa che gli atomi occupano due stati diversi contemporaneamente. Il pettine prepara ogni stato come un “pacchetto d’onda” – una breve raffica delle rispettive onde di particelle – e quindi misura l’interferenza dei due pacchetti d’onda mentre seguono traiettorie diverse e tornano insieme.

I ricercatori hanno utilizzato due fasci a pettine con frequenze leggermente spostate che si propagano verticalmente in direzioni opposte attraverso la nuvola per indurre una cosiddetta transizione Raman stimolata. In questo processo, un atomo assorbe un fotone da un raggio e viene quindi stimolato a decadere da un fotone di frequenza leggermente inferiore proveniente dall’altro raggio, lasciando l’atomo in uno stato elettronico eccitato target. Con un’attenta messa a punto dei parametri sperimentali, i ricercatori potrebbero posizionare gli atomi in una sovrapposizione 50/50 dello stato fondamentale e dello stato eccitato. (L’uso di un pettine di frequenza per guidare queste transizioni Raman nel rubidio è stato dimostrato in precedenza [3, 4].)

Fondamentalmente, lo stato fondamentale e lo stato eccitato target hanno energie cinetiche diverse perché i fotoni assorbiti ed emessi nelle transizioni Raman forniscono slancio. Questi calci manderebbero il pacchetto d’onda di un atomo eccitato su una traiettoria di caduta libera diversa da quella di un atomo nello stato fondamentale. Gli atomi nella sovrapposizione seguono quindi entrambe le traiettorie, che poi tornano insieme e interferiscono.

Solaro e colleghi hanno misurato l’interferenza tra il suolo e i pacchetti d’onda eccitati monitorando le conseguenti oscillazioni nell’emissione di luce degli atomi mentre il team variava la differenza di frequenza tra i due pettini. Da queste oscillazioni determinarono l’accelerazione gravitazionale g con una precisione di una parte su 105. In un confronto materia-antimateria, si confronterebbero i valori di g determinato per i due tipi di particelle e una discrepanza segnalerebbe una violazione dell’equivalenza debole.

La precisione raggiunta dai ricercatori non è così buona come può essere ottenuta dall’interferometria atomica eccitata dai laser cw. Ma i laser cw non possono essere utilizzati alle lunghezze d’onda XUV, per le quali sono attualmente in fase di sviluppo i pettini di frequenza [5]. I ricercatori scrivono che la precisione dimostrata nella loro misurazione, se fosse riprodotta per un esperimento interferometrico utilizzando antiidrogeno, “porterebbe a un test rigoroso del principio di equivalenza debole con l’antimateria”.

La nuova tecnica “potrebbe aprire le porte all’introduzione di un gruppo più diversificato di atomi con una gamma più ampia di scale energetiche per misurazioni di precisione all’interno di un interferometro atomico”, afferma il fisico atomico Jun Ye del National Institute of Standards and Technology in Colorado. Sebbene i pettini di frequenza nella regione XUV necessari per gli studi interferometrici sull’antiidrogeno non siano ancora completamente sviluppati, il fisico ottico Minhaeng Cho della Korea University di Seoul afferma che gli sforzi per produrli sono attualmente “vigorosi”. Data la prova di principio stabilita dai nuovi risultati, pensa che un simile esperimento interferometrico sia molto probabile che sia realizzabile.

-Filippo Palla

Philip Ball è uno scrittore scientifico freelance a Londra. Il suo ultimo libro è I miti moderni (University of Chicago Press, 2021).

Riferimenti

  1. C. Solaro et al.“Interferometro atomico guidato da un pettine di frequenza di picosecondi”, Phys. Rev. permettere. 129173204 (2022).
  2. M. Kasevich e S. Chu, “Interferometria atomica utilizzando transizioni Raman stimolate”, Phys. Rev. permettere. 67 (1991).
  3. Y. Fukuda et al.“Spettroscopia del battito quantico sincronizzata che utilizza eccitazioni periodiche di impatto con impulsi laser in modalità CW bloccati”, Optare. Comune. 38 (1981).
  4. C. Solaro et al.“Transizioni Raman guidate da pettine a frequenza diretta nella gamma dei terahertz”, Phys. Rev. permettere. 120 (2018).
  5. G. Porat et al.“Generazione di pettini di frequenza ultravioletta estrema abbinata in fase”, Nat. fotonica 12 (2018).

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