[論文レビュー] Matter-wave interferometry with composite quantum objects

Markus Arndt, Nadine Dörre+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、Talbot-Lau、Kapitza-Dirac-Talbot-Lau (KDTL)、およびOTIMAという高度な物質波干渉計を提示し、最大で約10^6原子質量単位の質量を持つ複合粒子を用いた量子干渉を可能にする。位相空間形式と特化した光学的または物質的回折格子を用いることで、量子的巨視性のテストやCSLのような崩壊モデルの探査が可能となり、電子の重ね合わせが10^12秒以上にわたって持続するに相当する巨視性が達成された。

ABSTRACT

We discuss modern developments in quantum optics with organic molecules, clusters and nanoparticles -- in particular recent realizations of near-field matter-wave interferometry. A unified theoretical description in phase space allows us to describe quantum interferometry in position space and in the time domain on an equal footing. In order to establish matter-wave interferometers as a universal tool, which can accept and address a variety of nanoparticles, we elaborate on new quantum optical elements, such as diffraction gratings made of matter and light, as well as their absorptive and dispersive interaction with complex materials. We present Talbot-Lau interferometry (TLI), the Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer (KDTLI) and interferometry with pulsed optical gratings (OTIMA) as the most advanced devices to study the quantum wave nature of composite matter. These experiments define the current mass and complexity record in interferometric explorations of quantum macroscopicity and they open new avenues to quantum assisted metrology with applications in physical chemistry and biomolecular physics.

研究の動機と目的

• 複雑で質量の大きな量子対象を対象とする物質波干渉計の理論的および実験的枠組みを発展・統合すること。
• 大規模で熱的に励起された分子およびナノ粒子を用いた干渉計におけるデコherenceの課題を克服すること。
• 干渉計を巨視的系における量子的挙動を探査する普遍的ツールとして確立すること。
• 高質量干渉を用いて量子理論の修正（例えば連続的自発的局在化（CSL）モデル）をテストすること。
• 分子の性質（誘電率や電気双極子モーメントなど）を高精度に測定するための量子支援メタロロジーを可能にすること。

提案手法

• 位置と時間の両領域において等価に扱えるように、Wigner関数による統一された位相空間記述を用いて干渉計を記述すること。
• 三重格子構成のTalbot-Lau干渉計（TLI）を採用し、遅い質量の大きな粒子に対して高対比干渉を達成すること。
• 時間領域干渉を可能にするパルス光格子（OTIMA）の設計と利用を実施し、質量依存の透過率変調を実現すること。
• 短いレーザーパルスを用いて光から一様な回折格子を形成するKapitza-Dirac-Talbot-Lau（KDTL）干渉計を適用すること。
• ナノメカニカルおよび光学的格子を用いた物質波回折を活用し、内部自由度が最大200個の系における量子コherenceを測定すること。
• 環境によるデコherenceおよび自発的崩壊効果（例：CSL）をモデル化し、質量の大きな系における量子重ね合わせの限界を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherentな物質波干渉を示せる量子的対象の最大質量および複雑さは何か？
• RQ2 TLI、KDTL、OTIMAといった近場干渉計を用いることで、巨視的スケールにおける量子力学の妥当性をどのようにテストできるか？
• RQ3 環境的相互作用（衝突や熱放射など）が、質量の大きな粒子の干渉計においてどれほどデコherenceを引き起こすか？
• RQ4 ナノ粒子を用いた量子干渉計を用いることで、誘電率や電気双極子モーメントといった分子固有の性質を高精度に測定できるか？
• RQ5 質量の大きな系における量子重ね合わせの巨視性は何か？ そして、CSLモデルのような量子理論の修正を制限するにはどうなるか？

主な発見

• KDTL干渉計は、10^12秒以上にわたって単一電子の重ね合わせと同等の巨視性値を達成し、これまでで最高の値となった。
• OTIMA干渉計は、クラスターの透過率に質量依存性の変調を示し、時間領域における高精度制御のもとで量子干渉が確認された。
• 時間領域に干渉共振が観測され、可視度はナノ粒子の質量および速度に依存した。
• 理論的モデル化により、金クラスターを用いたOTIMAでは、現在のパrameterizationのもとでCSLモデルを10^6原子質量単位のオーダーでテスト可能であると示された。
• 超高真空下で超冷却・低速かつ高指向性のナノ粒子ビームを用いることで、衝突および熱放射によるデコherenceが軽減された。
• 量子支援デフォルトメトリーにより、複雑な分子の光学誘電率、静的誘電率、誘導双極子モーメントが高精度に測定可能となった。