[논문 리뷰] Realization of a complete Stern-Gerlach interferometer

Yair Margalit, Zhifan Zhou외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

Optical Polarization and EllipsometryEngineering참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 원자 칩에서 유도한 매크로스코픽 자기장으로, 99%의 공간 간섭 가시도와 95%의 스핀 간섭 가시도를 달성한 최초의 완전하고 고가시성의 슈테른-게르라흐 간섭계를 구현한다. 실온에서 정밀하게 자기기울기를 제어함으로써 저자들은 전체 루프 간섭계를 실현하고 시간에 따라 역행하지 않는 성질이 점차 나타나는 것을 관측하며, 이는 이론적으로 오랫동안 예측되어 온 허머프티-덤프티 효과를 통제된 양자 시스템에서 실험적으로 입증한 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 맥락적인 자기장의 정밀 제어를 통해 매크로스코픽 자기장을 사용한 완전히 간섭가능하고 완전한 슈테른-게르라흐 간섭계를 실현함으로써, 장기간 이론적으로 가능성이 의심되어 온 문제를 해결하는 것.
• 시간에 따라 역행하지 않는 양자 과정이 양자 조작의 부정확성과 불안정성에서 기인한다는 가설을 검증함으로써, 허머프티-덤프티 효과가 예측한 바와 같이 시간의 비가역성이 발생하는지 테스트하는 것.
• 보즈아인슈타인 응축체나 레이저 필드에 의존하지 않고 자유롭게 추진되는 원자 빔에서 고가시도의 공간 간섭 무늬와 스핀 간섭 무늬를 관측하는 것.
• 매크로스코픽 자석이 간섭가능한 양자 조작을 위해 필요한 정밀도를 제공할 수 있음을 보여주어, 미세측정 및 양자 센서 분야의 새로운 응용 가능성을 열어주는 것.

제안 방법

• 실험은 원자 칩을 이용해 원자 빔에 스핀에 의존하는 힘을 작용시키는 고정밀하고 공간적으로 가공된 자기기울기장을 생성한다.
• 반루프 간섭계 구성은 π/2 펄스를 통해 초위상 상태를 준비하고, 긴 정지 펄스를 통해 웨이브패킷을 집중시켜 공간 간섭 무늬를 유도한다.
• 풀루프 간섭계는 짧은 정지 펄스를 통한 활성 재결합을 활용하며, 간섭을 유지하기 위해 고도의 정밀도가 요구된다.
• 간섭 가시도는 다중채널판과 CCD 카메라를 이용한 공간 및 스핀 분포 영상 촬영을 통해 측정되며, 위상 정보는 극좌표도에서 추출된다.
• 이론적 모델링은 빔 속도 분포와 웨이브패킷 간격을 고려하여, 라마르 타입의 위상 조절과 진짜 공간 간섭을 구분한다.
• 저자들은 이전 실험 결과와 비교하여, 이전에 관측된 횡방향 조절 무늬가 공간 분리가 아니라 라마르 간섭계의 결과임을 밝혀내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 매크로스코픽 자석을 사용해 고조화를 유지하는 완전한 슈테른-게르라흐 간섭계를 실현할 수 있는가?
• RQ2 자기기울기의 정밀도 부족이 양자 과정에서 시간의 비가역성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 자유롭게 추진되는 원자에서 자기기울기장에서 고가시도의 공간 간섭을 관측할 수 있는가?
• RQ4 간섭계의 간섭가용성은 웨이브패킷 간격과 자기장 정밀도에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 이전 실험에서 관측된 횡방향 조절 무늬는 진짜 공간 간섭을 나타내는가, 아니면 라마르 간섭계의 산물인가?

주요 결과

• 풀루프 간섭계에서 공간 간섭 가시도가 99%에 도달하여 매크로스코픽 자기장 제어의 고조화성과 정밀도를 입증한다.
• 스핀 간섭 가시도 95%가 관측되어 최적 조건에서 과정이 시간에 대해 가역적임을 확인한다.
• 웨이브패킷 간격은 파동패킷 너비의 최대 18배에 이를 정도로 크게 확장되었으며, 이는 이전 실험들에서 간섭 길이와 유사한 수준이었던 것과는 현저히 대비된다.
• 분리가 증가함에 따라 시간의 비가역성이 점차 나타나는 것을 관측하여, 허머프티-덤프티 효과에 대한 최초의 실험적 증명을 이룩한다.
• 이전 실험에서 관측된 횡방향 조절 무늬가 공간 간섭이 아니라 라마르 간섭계의 결과임을 입증함으로써 오랫동안 애매시되어 온 문헌의 모순을 해결한다.
• 고가시도 간섭이 매크로스코픽 자석을 통해 실현 가능함을 확인함으로써, 이러한 시스템이 본질적으로 간섭가능하지 않다는 오랫동안 지속된 믿음을 도전한다.