德國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)新儀器 為研制原子干涉儀鋪路

一個(gè)以德國(guó)科學(xué)家為主的歐洲研究團(tuán)隊(duì)在微重力下的量子氣體(QUANTUS)項(xiàng)目上取得重要進(jìn)展，他們成功開(kāi)發(fā)出一種儀器，其可在失重條件下產(chǎn)生玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)?？茖W(xué)家希望借助這種零重力下的超低溫量子氣體研制原子干涉儀等高精密測(cè)量?jī)x器，以用于測(cè)量地球的重力場(chǎng)，同時(shí)解決物理學(xué)領(lǐng)域的一些基礎(chǔ)問(wèn)題。相關(guān)成果發(fā)表在新的《科學(xué)》雜志上。

　　物質(zhì)波干涉開(kāi)辟了計(jì)量學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域測(cè)量的全新辦法。一個(gè)充滿希望的干涉源就是玻色—愛(ài)因斯坦凝聚。玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是原子在冷卻到*零度左右時(shí)所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物態(tài)。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量低的量子態(tài)，原子因此失去其獨(dú)立的身份，可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述。這種物質(zhì)狀態(tài)顯示出和激光巨大的相似性。將玻色—愛(ài)因斯坦凝聚體中的原子相干耦合輸出，就可得到一種性能全新的相干物質(zhì)波源——原子激光。這種原子激光是將來(lái)提高原子干涉儀靈敏度和性的關(guān)鍵。

　　現(xiàn)在，由德國(guó)漢諾威大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的QUANTUS項(xiàng)目組成功研發(fā)出一種新儀器，其外形是一個(gè)與門(mén)差不多高和寬的圓柱體，內(nèi)部安裝有原子芯片、螺線管、激光器和攝像頭。該設(shè)備已在不來(lái)梅應(yīng)用空間技術(shù)和微重力中心(ZARM)146米的下降塔中得到應(yīng)用，并在失重條件下成功獲得了玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。

　　在不來(lái)梅下降塔的自由下落實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家在原子芯片上創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)毫米大的宏觀波包，并且觀察其演變超過(guò)1秒。歸功于類(lèi)似激光的特性，科學(xué)家們借助光診斷的方法確認(rèn)這個(gè)物質(zhì)波包中超過(guò)10000個(gè)原子是不確定的(即處于玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài))。研究小組在不來(lái)梅下降塔進(jìn)行投放試驗(yàn)超過(guò)180次，是目前為止復(fù)雜和穩(wěn)定的試驗(yàn)。這些試驗(yàn)結(jié)果為未來(lái)利用原子干涉觀察量子物質(zhì)演變以及將其作為慣性傳感器的研究奠定了基礎(chǔ)。

　　未來(lái)原子干涉儀的應(yīng)用范圍將從地球重力場(chǎng)測(cè)量的跨學(xué)科應(yīng)用延伸至弱等效原則的量子試驗(yàn)。弱等效原則是廣義相對(duì)論的理論基石。與組成無(wú)關(guān)的物質(zhì)波以同樣的方式在重力場(chǎng)中下降需要弱等效原則。等效原則試驗(yàn)或許有助于將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論統(tǒng)一到一個(gè)共同的理論里。因此，這個(gè)量子物質(zhì)等效原則試驗(yàn)是利用玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦相對(duì)論的一個(gè)令人鼓舞的做法。