атомный интерферометр

АТОМНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР - прибор, позволяющий наблюдать стационарную картину интерференции двух сдвинутых по фазе компонент к--л. состояния атома. В принципе такое устройство аналогично обычному двухлучевому оптич. интерферометру.

Принцип действия А. и. может быть пояснён следующим примером. Пучок атомов водорода в метастабиль-ном состоянии 2S_1/2 последовательно проходит через две пространственно разделённые зоны 1 и 2, внутри к-рых атомы подвергаются воздействию неадиабатич. возмущения, вследствие чего становятся возможными их переходы в др. состояния, напр. и . Возмущающим фактором является электрич. поле, локализованное в пространстве между зонами (рис. 1), к-рое резко изменяется на границах, т. е. в пределах каждой зоны ширины d.

Рис. 1. Схема атомного интерферометра: 1 и 2 -входная и выходная электродные системы, 3-детекторы L_a-излучения, 4 - область действия дополнительного электрич. поля.

Для упрощения картины можно ограничиться рассмотрением двухуровневой системы - , что оправдано при не слишком сильных полях; в этом случае влияние уровня сказывается слабо и может быть учтено малыми поправками. При пересечении первой границы атомы переходят в суперпозицию собств. состояний и с энергиями , определяемыми величиной напряжённости электрич. поля E. На границе зоны 2, где поле убывает до нуля, возникнут компоненты пучка, представляющие как состояние , так и состояние , причем каждый из термов и даст начало паре таких состояний.

По выходе из поля амплитуды (здесь уже собственных) состояний и будут определяться амплитудами переходов и разностью фаз между компонентами каждой пары Эта разность зависит от времени пролета в поле и от частоты перехода между термами и , расщеплёнными электрич. полем (Штарка эффект ).Поскольку величина расщепления определяется напряженностью поля Е, то при ее монотонном изменении в прошедшем пучке будут наблюдаться периодические (происходящие в противофазе) колебания интенсивности потоков 2S- и 2Р-атомов, обусловленные интерференцией компонент каждой пары: (2S)₁-(2S)₂ и (2P)₁-(2P)₂. Такое же явление будет наблюдаться при изменении времени пролета t, определяемого расстоянием l между границами поля (l>d).

Наблюдение картины интерференции можно осуществить измерением потока короткоживущих 2P-атомов. Детектор, расположенный за второй границей, будет регистрировать фотоны, отвечающие переходу 2Р-1S, т. е. головную линию серии Лаймана с длиной волны 1216 . Можно также наблюдать происходящую в противофазе интерференцию 2S-компонент, для чего необходимо пропустить пучок 2S-атомов через дополнит. электрич. поле, перемешивающее состояния 2S и 2Р.

В двухуровневой системе 2S_1/2-2P_1/2, имеют место переходы между S- и Р-подуровнями сверхтонкой структуры с проекциями F_z квантового числа суммарного момента F ядра и электрона, равными 1,0 и -1 (рис. 2). T. к. разности энергий для переходов с 1 (согласно отбора правилам)совпадают, результирующая интенсивность 2Р-компоненты пучка будет определяться суммой трёх слагаемых, соответствующих этим переходам: . Если положить х=<d>, где <d> - матричный элемент перехода 2S_1/2-2P_1/2, a -лэмбовский сдвиг, то вероятность выхода -атомов для каждой i-й компоненты будет определяться выражением вида

где-постоянная распада 2Р-состояния.

А. и. представляет собой помещенную в вакуум систему из 2 электродов (создающих неадиабатически изменяющееся на границах поле), длина к-рой зависит от скорости атомов пучка и составляет обычно 1-50 см. Особенности тонкой структуры -уровней атомов водорода оптимально проявляются при х~1, чему соответствует E ~ 300 В/см.

На рис. 3 показаны кривые интерференции компонент 2Р-состояния атома водорода (являющейся оптич. аналогом эффекта Пайса - Пиччони для системы ; см, К-мезоны).

Наблюдение атомных состояний в течение длительного времени при помощи А. и. позволяет осуществить качественно новые эксперименты, поскольку картина интерференции, зарегистрированная в широком интервале сдвига фаз, чрезвычайно чувствительна к характеристикам её компонент.

Рис. 2. Сверхтонкая структура 2S_1/2 -, 2Р_1/2 -уровней атома водорода (масштаб не выдержан)

Одним из примеров применения А. и. является измерение лэмбовского сдвига в атоме водорода. Из ф-лы для двухэлектродного интерферометра следует, что аксперим. зависимость выхода 2Р-атомов от E и t позволяет в принципе найти величину.

Рис. 3. Зависимость интенсивности компоненты 2Р от напряжённости электрич. поля E для времени пролёта t=2,5512*l0^-9 с (а) и от t при E = 400 В/см (б).

Однако определение её с точностью ~10^-6 оказывается затруднительным из-за сложного поведения атома в поле и неопределённости характеристик этого поля, особенно вблизи отверстий в электродах для прохода пучка.

Для точного измерения применяется т. н. двойной А. и. с двумя двухэлектродными системами (типа, изображённого на рис. 1), разделёнными промежутком L. Атом водорода в состоянии , пролетающий через такой интерферометр, последовательно подвергается действию неадиабатич. полей во входной и выходной электродных системах, к-рое приводит к перемешиванию состояний 2S и 2Р. Роль первой системы сводится к созданию суперпозиции 2S-, 2Р-состояний из исходного состояния 2S. Для того чтобы экспериментально найти сдвиг фаз 2S- и 2Р-компонент пучка после пролёта атомом расстояния L, используется, в качестве анализатора, вторая двухэлектродная система, образующая компоненты 2Р-состояния как из 2P-, так и из 2S-состояний. Интерференцию этих компонент наблюдают при помощи детектора L_a-квантов.

Процессы, происходящие в интерферометре, удобно рассматривать в системе покоящегося атома. В этом случае на атом будут действовать два импульса электрич. поля, разделённые промежутком времени t= , где -скорость атома. В промежутке между электродными системами, т. е. в области, где поля нет, состояния 2S и 2Р являются собственными и их эволюция определяется точно.

Поэтому можно написать точное выражение для вероятности выхода 2Р-атомов после пролёта через двойной интерферометр как ф-ции длины L или времени пролёта t (E₁, E₂ - величины напряжённостей электрич. полей во входной и выходной двухэлектродных системах). Существенно, что при эксперим. определении зависимости в качестве переменной L можно взять не абс. значение длины, а её приращение, отсчитанное от некрой произвольной точки.

Лит.: Соколов Ю. Л., Интерференция 2P_1/2-состояния атома водорода, "ЖЭТФ", 1972, т. 63, с. 461. Ю. Л. Соколов.

   <<      Предметный указатель      >>