Verso una nuova generazione di interferometri atomici utilizzando i condensati di Bose-Einstein

Gli interferometri atomici hanno un ruolo di primo piano nelle misure ultrasensibili di tempo (es. orologi atomici), forze (es. gravitometri) e accelerazioni (es. giroscopi). Il lavoro svolto presso l'Istituto INO del CNR, in collaborazione con il gruppo sperimentale di C. Klept e collaboratori dell'Università di Hannover, sfruttando la possibilità di avere un numero elevato di atomi correlati quantisticamente, apre eccitanti prospettive nel campo delle misure di precisione proiettandole verso una nuova generazione di interferometri atomici in grado di superare le sensibilità attuali di molti ordini di grandezza. Attualmente, infatti, gli interferometri atomici utilizzano atomi non correlati (cioè le cui proprietà quantistiche non sono influenzate tra loro) e hanno un'incertezza che scala proporzionalmente all'inverso della radice quadrata di N, dove N è il numero di atomi utilizzati. Per vincere tale incertezza, che è data da un limite classico, non fondamentale, occorre preparare gli N atomi in uno stato correlato quantisticamente (cioè in uno stato quantico che dipende dallo stato di ciascuno degli N atomi) e un ingrediente chiave per creare tali correlazioni è la nonlinearità, che è naturalmente presente in gas ultrafreddi. Utilizzando la dinamica spinoriale in condensati di Bose-Einstein, siamo stati in grado di produrre correlazioni quantistiche in un ensemble di N=10000 atomi. Partendo da un singolo condensato di atomi di rubidio in uno stato iperfine m=0, collisioni atomiche possono produrre, in maniera coerente, coppie correlate di atomi in stati iperfini m=1 e m=-1, che hanno quindi, idealmente, lo stesso numero di particelle. Tali stati sono in grado di dare una sensibilità interferometrica proporzionale a 1/N (inferiore quindi a quella degli interferometri atomici attuali), quando usati come input di un interferometro atomico e in assenza di rumore tecnico. Nel nostro esperimento, abbiamo dimostrato la presenza di correlazioni quantistiche negli stati prodotti sperimentalmente discriminando gli stati quantistici utili per l'interferometria o, in altre parole, gli stati che permettono di vincere il limite classico se utilizzati come input di un interferometro. Per dimostrare questa previsione teorica, abbiamo implementato un interferometro atomico utilizzando i nostri stati come input e siamo stati così in grado di ottenere un'incertezza più bassa di 1.61 db rispetto al limite classico. La sensibilità ottenuta sperimentalmente è però limitata da rumore tecnico, principalmente dovuto alla finita sensibilità dei rivelatori atomici; ci aspettiamo quindi di poterla migliorare sensibilmente ottimizzando l'apparato sperimentale.

Autori: B. Lücke, M. Scherer, J. Kruse, L. Pezzé, F. Deuretzbacher, P. Hyllus, O. Topic, J. Peise, W. Ertmer, J. Arlt, L. Santos, A. Smerzi and C. Klempt.

Titolo: Twin Matter Waves for Interferometry Beyond the Classical Limit

Rivista: Science

Anno: 2011

Riferimenti bibliografici: 334, 773