Физики измерили квантовую фазу свободно падающих атомов

Физики из Великобритании, Германии, Израиля и США напрямую измерили квантовую фазу свободно падающего волнового пакета относительно неподвижного. Для этого они разделили волновую функцию атомов рубидия-87 на два волновых пакета: один из них свободно падал, а второй удерживался на месте магнитным полем. Наблюдаемая разность фаз этих двух пакетов кубически зависела от времени свободного падения и согласовалась с предсказанием, полученным из принципа эквивалентности. Статья опубликована в Science Advances.

Принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности. В частности, свободно падающий наблюдатель локально не может отличить действие однородного гравитационного поля от движения в ускоренной системе отсчета. Для классических тел принцип эквивалентности проверен с очень высокой точностью. В квантовой механике переход между свободно падающей и неподвижной системами отсчета сопровождается дополнительным изменением фазы волновой функции.

Еще в 1920-х годах физики показали, что волновая функция свободно падающей частицы в лабораторной системе отсчета должна приобретать дополнительную фазу с кубической зависимостью от времени. К тому же результату можно прийти другим путем: перейти из свободно падающей системы отсчета, где на частицу локально не действует гравитационная сила, в неподвижную относительно Земли систему с помощью преобразования Галилея. Совпадение двух результатов позволяет совместить квантовую механику с принципом эквивалентности, однако непосредственно эту фазу до сих пор не измеряли.

Группа физиков под руководством Рона Фолмана (Ron Folman) из Университета Бен-Гуриона реализовала эксперимент по измерению квантовой фазы свободно падающих атомов с помощью интерферометра Штерна — Герлаха на атомном чипе. Ученые получили бозе-эйнштейновский конденсат примерно из 20 тысяч атомов рубидия-87 и охладили его движение вдоль вертикальной оси до эффективной температуры 3,3 нанокельвина. Затем атомы перевели в суперпозицию двух состояний, которые по-разному взаимодействовали с магнитным полем.

Один волновой пакет физики заставили двигаться вверх при помощи магнитного импульса и затем оставили свободно двигаться под действием гравитации, а второй удерживали магнитным полем на постоянной высоте. Расстояние между пакетами достигало примерно 7,5 микрометра. Затем пакеты снова совмещали и заставляли интерферировать, а разность их фаз определяли по распределению атомов между двумя выходами интерферометра. Фаза зависела от времени свободного падения кубически, как и предсказывала теория, а экспериментальные данные согласовались с численными расчетами с точностью около 2,5 процента.

Таким образом, физики впервые непосредственно зарегистрировали квантовую фазу свободно падающего объекта относительно объекта, неподвижного в земной системе отсчета. Результат оказался совместим с фазой, которая возникает при применении принципа эквивалентности к квантовой волновой функции. При этом авторы подчеркивают, что эксперимент сам по себе не исключает все возможные модели, нарушающие принцип эквивалентности, если те предсказывают ту же фазу. В дальнейшем интерферометр можно использовать для более сложных проверок принципа эквивалентности с квантовыми часами.

Атомная интерферометрия — полезный инструмент в арсенале ученых, ранее она позволила обнаружить гравитационный эффект Ааронова — Бома, при котором гравитационный потенциал меняет фазу волновой функции даже там, где действующая на атом сила практически отсутствует.