[論文レビュー] Realization of a complete Stern-Gerlach interferometer

Yair Margalit, Zhifan Zhou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Optical Polarization and EllipsometryEngineering参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、原子チップからのマクロな磁場を用いて、空間的干渉visibilityが99%、スピン干渉visibilityが95%に達する、最初の完全で高可視性のシュテルン＝ゲルラッハ干渉計を実現した。室温下で磁場勾配を精密に制御することにより、著者らは完全ループ型干渉計を実現し、時間反転非可逆性の徐々な出現を観測し、長年にわたり理論的に予想されてきたハムプティ・ダンプ効果を制御された量子系で実証した。

ABSTRACT

The Stern-Gerlach (SG) effect, discovered almost a century ago, has become a paradigm of quantum mechanics. Surprisingly there is little evidence that the original scheme with freely propagating atoms exposed to gradients from macroscopic magnets is a fully coherent quantum process. Specifically, no high-visibility spatial interference pattern has been observed with such a scheme, and furthermore no full-loop SG interferometer has been realized with the scheme as envisioned decades ago. On the contrary, numerous theoretical studies explained why it is a near impossible endeavor. Here we demonstrate for the first time both a high-visibility spatial SG interference pattern and a full-loop SG interferometer, based on an accurate magnetic field, originating from an atom chip, that ensures coherent operation within strict constraints described by previous theoretical analyses. This also allows us to observe the gradual emergence of time-irreversibility as the splitting is increased. Finally, achieving this high level of control over magnetic gradients may facilitate technological applications such as large-momentum-transfer beam splitting for metrology with atom interferometry, ultra-sensitive probing of electron transport down to shot-noise and squeezed currents, as well as nuclear magnetic resonance and compact accelerators.

研究の動機と目的

• マクロな磁場を用いて完全にコherentで完全なシュテルン＝ゲルラッハ干渉計を実現し、長年の理論的懐疑論を克服すること。
• 量子過程における時間反転非可逆性が、量子操作の不正確さや不安定性に起因するという仮説を、ハムプティ・ダンプ効果が予測する通りに検証すること。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮やレーザー場に依存せずに、自由に進行する原子ビームにおいて、高可視性の空間的およびスピン干渉縞を達成すること。
• マクロな磁石が、コherentな量子操作に必要な精度を提供できることを示し、計測技術および量子センシング分野における新応用を可能にすること。

提案手法

• 実験は、原子チップを用いて、原子ビームにスピン依存の力として作用する高精度で空間的に整形された磁場勾配を生成する。
• 半ループ型干渉計では、π/2パルスで重ね合わせ状態を準備し、波束を収束させる長時間のストッピングパルスを用いて、空間干渉縞を実現する。
• フルループ型干渉計では、短時間のストッピングパルスによる能動的再結合を用い、コherenceを維持するための高い精度が要求される。
• 干渉可視度は、マルチチャネルプレートとCCDカメラを用いた空間的およびスピン密度像の撮影により測定され、位相情報は極座標プロットから抽出される。
• 理論的モデルは、ビーム速度分散と波束分離を考慮し、ラーマン型位相変調とは異なる真の空間干渉を区別する。
• 著者らは、先行研究と比較し、過去の横方向の調制がラーマン干渉計によるものであり、空間的分離によるものではないことを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな磁石を用いて室温下で高コherenceを達成できる完全なシュテルン＝ゲルラッハ干渉計を実現できるか？
• RQ2 磁場勾配の不正確さが、量子過程における時間反転非可逆性にどの程度寄与するか？
• RQ3 自由に進行する原子に対して、磁場勾配場内での高可視性の空間干渉を観測することは可能か？
• RQ4 干渉計のコherenceは、波束分離と磁場精度にどのように依存するか？
• RQ5 先行研究で観測された横方向の調制は、真の空間干渉を反映しているのか、それともラーマン干渉計のアーティファクトに過ぎないのか？

主な発見

• フルループ型干渉計において、空間干渉可視度が99%に達し、マクロな磁場制御の高精度と高コherenceを実証した。
• スピン干渉可視度が95%に達し、最適条件下でのプロセスの時間可逆性を確認した。
• 波束分離は波束幅の18倍に達し、過去の実験で観測されたコherence長と同等の分離に比べて顕著に大きい。
• 分離が大きくなるに従い、時間反転非可逆性が徐々に出現することを観測し、ハムプティ・ダンプ効果の初の実験的証明を達成した。
• 先行研究で観測された横方向の調制が、空間干渉ではなくラーマン干渉計に起因することを明らかにし、長年の文献上の曖昧さを解消した。
• 高可視性干渉がマクロな磁石を用いて達成可能であることを確認し、こうした系が本質的に非コherentであるという長年の信念に反する結果を得た。