[论文解读] 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 18

一句话总结

该论文首次实现了使用原子芯片产生的宏观磁场的完整、高可见度的塞曼-格拉谢夫干涉仪，实现了99%的空间干涉可见度和95%的自旋干涉可见度。通过在室温下精确控制磁梯度，作者实现了全环路干涉仪，并观察到时间不可逆性的渐进出现，从而在受控的量子系统中验证了长期理论预测的“亨普蒂-杜姆普效应”。

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.

研究动机与目标

• 利用宏观磁场实现完全相干、完整的塞曼-格拉谢夫干涉仪，克服长期以来关于其可行性的理论怀疑。
• 检验时间不可逆性在量子过程中源于量子操作的不精确性和不稳定性这一假设，该假设由‘亨普蒂-杜姆普效应’所预测。
• 在不依赖玻色-爱因斯坦凝聚态或激光场的前提下，实现自由传播原子束中高可见度的空间与自旋干涉条纹。
• 证明宏观磁体可提供相干量子操作所需的精度，从而为计量学和量子传感开辟新应用。

提出的方法

• 实验利用原子芯片产生高度精确、空间可调制的磁梯度，作为对热原子束的自旋依赖力。
• 半环路干涉仪构型利用π/2脉冲制备叠加态，并利用长停止脉冲聚焦波包，从而实现空间干涉条纹。
• 全环路干涉仪采用短停止脉冲进行主动再结合，要求极高精度以维持相干性并生成自旋布居条纹。
• 通过多通道板和CCD相机进行空间与自旋布居成像测量干涉可见度，相位信息从极坐标图中提取。
• 理论建模考虑了束流速度展宽与波包分离，以区分真正的空间干涉与拉姆齐型相位调制。
• 作者将结果与先前实验进行比较，表明先前观察到的横向调制源于拉姆齐干涉，而非空间分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下使用宏观磁体实现高相干性的完整塞曼-格拉谢夫干涉仪？
• RQ2 磁梯度的不精确性在多大程度上导致量子过程中出现时间不可逆性？
• RQ3 是否可能在磁梯度场中观察到自由传播原子的高可见度空间干涉？
• RQ4 干涉仪的相干性如何依赖于波包分离与磁场精度？
• RQ5 先前实验中观察到的横向调制是否代表真正的空间干涉，还是拉姆齐干涉的伪影？

主要发现

• 实验在全环路干涉仪中实现了99%的空间干涉可见度，证明了宏观磁场控制的高相干性与高精度。
• 观察到95%的自旋干涉可见度，证实了在最优条件下该过程的时间可逆性。
• 波包分离最大达到波包宽度的18倍，显著超过以往实验中波包分离与相干长度相当的情况。
• 作者观察到随着分离程度增加，时间不可逆性逐渐显现，首次在实验中验证了‘亨普蒂-杜姆普效应’。
• 先前实验中观察到的横向调制被证明源于拉姆齐干涉，而非空间干涉，从而解决了文献中长期存在的模糊性问题。
• 该研究证实，利用宏观磁体可实现高可见度干涉，挑战了长期以来认为此类系统本质上不相干的信念。