德国科学家开发新仪器 为研制原子干涉仪铺路

2010-6-25 15:52 来源: 科学日报
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  一个以德国科学家为主的欧洲研究团队在微重力下的量子气体(QUANTUS)项目上取得重要进展,他们成功开发出一种仪器,其可在失重条件下产生玻色―爱因斯坦凝聚态。科学家希望借助这种零重力下的超低温量子气体研制原子干涉仪等高精密测量仪器,以用于测量地球的重力场,同时解决物理学领域的一些基础问题。相关成果发表在最新的《科学》杂志上。

  物质波干涉开辟了计量学和基础物理学领域精确测量的全新办法。一个充满希望的干涉源就是玻色―爱因斯坦凝聚。玻色―爱因斯坦凝聚态是原子在冷却到绝对零度左右时所呈现出的一种气态的、超流性的物态。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,原子因此失去其独立的身份,可以用一个波函数来描述。这种物质状态显示出和激光巨大的相似性。将玻色―爱因斯坦凝聚体中的原子相干耦合输出,就可得到一种性能全新的相干物质波源――原子激光。这种原子激光是将来提高原子干涉仪灵敏度和准确性的关键。

  现在,由德国汉诺威大学领导的QUANTUS项目组成功研发出一种新仪器,其外形是一个与门差不多高和宽的圆柱体,内部安装有原子芯片、螺线管、激光器和摄像头。该设备已在不来梅应用空间技术和微重力中心(ZARM)146米的下降塔中得到应用,并在失重条件下成功获得了玻色―爱因斯坦凝聚态。

  在不来梅下降塔的自由下落实验中,科学家在原子芯片上创造了一个数毫米大的宏观波包,并且观察其演变超过1秒。归功于类似激光的特性,科学家们借助光诊断的方法确认这个物质波包中超过10000个原子是不确定的(即处于玻色―爱因斯坦凝聚态)。研究小组在不来梅下降塔进行投放试验超过180次,是目前为止最复杂和最稳定的试验。这些试验结果为未来利用原子干涉观察量子物质演变以及将其作为惯性传感器的研究奠定了基础。

  未来原子干涉仪的应用范围将从地球重力场测量的跨学科应用延伸至弱等效原则的量子试验。弱等效原则是广义相对论的理论基石。与组成无关的物质波以同样的方式在重力场中下降需要弱等效原则。等效原则试验或许有助于将量子力学和广义相对论统一到一个共同的理论里。因此,这个量子物质等效原则试验是利用玻色―爱因斯坦凝聚态验证爱因斯坦相对论的一个令人鼓舞的做法。