Ein alltagstaugliches Atominterferometer

  • 19. April 2017

Mit warmen Atomen lassen sich Beschleunigungen schnell und präzise messen.

Ein Atominterferometer, das mit einer Dampfzelle arbeitet und bei dem die Atome weder ultra­kalt noch in einem Ultra­hoch­vakuum sind, haben Forscher der Sandia National Labora­tories in den USA ent­wickelt. Es misst auch sehr große Beschleu­ni­gungen über­raschend genau. Grant Bieder­mann und seine Mitar­beiter haben viel Erfah­rung mit dem Bau von Atom­inter­fero­metern, in denen Laser­pulse die Rolle von Spiegeln und Strahl­teilern spielen. Vor vier Jahren hatten sie die de-Broglie-Wellen einzelner Atome mit einer Folge von Laser­pulsen bestrahlt, die Raman-Über­gänge in den Atomen hervor­riefen. Dadurch wurden die Materie­wellen wie in einem Mach-Zehnder-Inter­fero­meter jeweils in zwei Teil­wellen auf­ge­spalten, die unter­schied­liche Wege zurück­legten, bevor sie wieder zusammen­kamen und inter­ferierten.

Atominterferometer

Abb.: Aus der breiten Geschwindig­keits­ver­teilung der Atome werden mit Raman-Laser­strahlen Atome mit einer defi­nier­ten Absolut­geschwin­dig­keit in Laser­strahl­rich­tung aus­ge­fil­tert, die an­schlie­ßend ein Mach-Zehnder-Inter­fero­meter aus Laser­pulsen durch­laufen. (Bild: G.W. Bieder­mann et al.)

Indem die Forscher das Experiment vielfach wieder­holten und nach der Inter­ferenz der beiden Teil­wellen den Anre­gungs­zustand der Atome abfrag­ten, konnten sie den Phasen­unter­schied der Teil­wellen bestimmen. Daraus wiederum ließ sich sehr genau die abso­lute Beschleu­ni­gung ermit­teln, die die frei fallen­den Atome im irdischen Schwere­feld erfahren hatten. Noch genauer arbeiten Atom­inter­fero­meter, die von vielen Atomen gleich­zeitig durch­laufen werden. Doch in beiden Fällen ist der Auf­wand erheb­lich, da die Atome auf Milli­kelvin-Tempe­ratur gekühlt und in einem Ultra­hoch­vakuum gehalten werden müssen.

Dass es auch einfacher geht, zeigen die Forscher jetzt mit ihrem neuen Atom­inter­fero­meter. Es arbeitet mit Rubidium­atomen in einer 39 Grad Celsius warmen Dampf­zelle, in der zwar ein Unter­druck, aber kein Ultra­hoch­vakuum herrscht. Wegen ihrer hohen Tempe­ratur hatten die Atome eine breite Geschwin­dig­keits­ver­teilung, aus der für das Inter­ferenz­experi­ment Atome in einem schmalen Geschwin­dig­keits­inter­vall ausge­wählt werden mussten. Das geschah mit Laser­strahlen, die auf­grund des Doppler-Effekts nur solche Atome anregen konnten, die in Strahl­rich­tung die gewünschte Geschwin­dig­keit hatten.

Diese angeregten Atome wurden dann in der schon beschrie­benen Weise einer Folge von Laser­pulsen ausge­setzt, die wie ein Mach-Zehnder-Inter­fero­meter wirkten. Anschlie­ßend wurde mit einem zusätz­lichen Laser­puls abge­fragt, wie viele Atome in einem bestimm­ten Anre­gungs­zustand waren. Aus diesem Inter­ferenz­signal ließ sich dann die Beschleu­nigung der Atome ermit­teln.

Verglichen mit einem ultrakalten Hochvakuum-Atom­inter­fero­meter arbeitet das warme Inter­fero­meter natür­lich längst nicht so präzise. Doch durch einige Maß­nahmen konnten die Forscher die Präzi­sion ver­bessern. Wegen der hohen Tempe­ratur in der Dampf­zelle kolli­dier­ten die ange­regten Atome sehr oft mit der Zellen­wand und änder­ten dabei ihren Anre­gungs­zustand, wodurch das Inter­ferenz­signal ver­fälscht wurde. Durch eine geeig­nete Beschich­tung ließ sich diese Relaxa­tion des atomaren Zustands jedoch stark unter­drücken.

Die schnell fliegenden Atome durchquerten den Laser­strahl in einer viel kürze­ren Zeit als es ultra­kalte Teilchen täten. Außer­dem war die Kohä­renz­länge ihrer de-Broglie-Wellen viel kleiner als die von ultra­kalten Atom­strahlen. Das führte dazu, dass das Inter­ferenz­experi­ment statt in Milli­sekunden inner­halb von Mikro­sekunden abge­schlossen sein musste. Der in dieser Zeit akku­mu­lierte Phasen­unter­schied der beiden Teil­wellen war ent­spre­chend kleiner, sodass die Genauig­keit der Beschleu­nigungs­messung etwa fünf Größen­ordnungen geringer war als mit den der­zeit besten Atom­inter­fero­metern.

Doch die kurze Messdauer hat auch ihre guten Seiten. Statt einmal pro Sekunde könnte man Beschleu­ni­gungen mit einer ultra­hohen Rate von 10 kHz messen. Außer­dem wäre der Mess­bereich sehr groß und würde bis 88 g reichen, wobei g die Erd­beschleu­nigung ist. Bieder­mann und seine Kollegen sind zuver­sicht­lich, dass man mit ihrem Ver­fahren verein­fachte und robuste Beschleu­nigungs­messer bauen kann. Ver­glichen mit elektro­mecha­nischen oder Laser-Gyro­skopen hätten sie den Vor­teil, dass man mit ihnen nicht nur Ände­rungen der Beschleu­nigung messen kann sondern abso­lute Beschleu­nigungs­messungen durch­führen könnte.

Rainer Scharf

RK

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