อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอม เป็น อินเตอร์เฟอโรเมตรชนิดหนึ่งที่ใช้คุณสมบัติคลื่นของอะตอมเพื่อสร้างการแทรกสอด ในอินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอม บทบาทของสสารและแสงจะกลับกันเมื่อเทียบกับ อินเตอร์เฟอโรเมตรที่ใช้ เลเซอร์กล่าวคือ ตัวแยกแสงและกระจกเป็นเลเซอร์ ในขณะที่แหล่งกำเนิดปล่อยคลื่นสสาร (อะตอม) แทนที่จะเป็นแสง ในแง่นี้ อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมจึงเป็นอะนาล็อกของคลื่นสสารของ อินเตอร์เฟอโรเมตร แบบช่องคู่Michelson-MorleyหรือMach-Zehnderที่มักใช้สำหรับแสง^{[ 1 ]}อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมวัดความแตกต่างของเฟสที่ได้รับจากคลื่นสสารอะตอมที่เคลื่อนที่ผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน คลื่นสสารสามารถควบคุมและจัดการได้โดยใช้ระบบเลเซอร์^{[ 2 ] : 420–1} อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมถูกนำมาใช้ในการทดสอบฟิสิกส์พื้นฐานรวมถึงการวัดค่าคงที่แรงโน้มถ่วงค่าคงที่โครงสร้างละเอียดและความเป็นสากลของการตกอย่างอิสระ การประยุกต์ใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอม ได้แก่ เครื่องวัดความเร่ง เซ็นเซอร์การหมุน และเครื่องวัดความลาดชันของแรงโน้มถ่วง^{[ 3 ]}

อินเตอร์เฟอโรเมตรีแยกคลื่นออกเป็นสถานะซ้อนทับกันตามเส้นทางที่แตกต่างกันสองเส้นทาง ศักยภาพที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งหรือปฏิสัมพันธ์เฉพาะที่ทำให้เส้นทางแตกต่างกัน ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่น อินเตอร์เฟอโรเมตรของอะตอมใช้ คลื่นสสาร ศูนย์กลางมวลที่ มี ความยาวคลื่นเดอ บรอยล์สั้น^{[ 4 ] [ 5 ]} มีการเสนอ การทดลองโดยใช้โมเลกุลเพื่อค้นหาขีดจำกัดของกลศาสตร์ควอนตัมโดยใช้ประโยชน์จากความยาวคลื่นเดอ บรอยล์ที่สั้นกว่าของโมเลกุล^{[ 6 ]}

การรบกวนของคลื่นสสาร อะตอม ถูกสังเกตครั้งแรกโดยImmanuel EstermannและOtto Sternในปี 1930 เมื่อลำแสงโซเดียม (Na) เกิดการเลี้ยวเบนจากพื้นผิวของโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ^{[ 7 ]} เครื่องวัดการรบกวนอะตอมสมัยใหม่เครื่องแรกที่ได้รับการรายงานคือการทดลองช่องคู่ด้วยอะตอมฮีเลียมแบบเสถียรและช่องคู่ขนาดเล็กที่สร้างขึ้นโดย O. Carnal และJürgen Mlynekในปี 1991 ^{[ 8 ]}และเครื่องวัดการรบกวนโดยใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนขนาดเล็กสามอันและอะตอม Na ในกลุ่มของDavid E. Pritchardที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ^{[ 9 ]}หลังจากนั้นไม่นาน เครื่องวัดสเปกตรัม Ramsey เวอร์ชันออปติคอล ซึ่งโดยทั่วไปใช้ในนาฬิกาอะตอมก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องวัดการรบกวนอะตอมที่Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ในเมืองเบราน์ชไวค์ ประเทศเยอรมนี^{[ 10 ]}การแยกทางกายภาพที่ใหญ่ที่สุดระหว่างกลุ่มคลื่นย่อยของอะตอมเกิดขึ้นโดยใช้เทคนิคการทำความเย็นด้วยเลเซอร์และการเปลี่ยนผ่านรามานแบบกระตุ้นโดยSteven Chuและเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด^{[ 11 ]}

ในปี พ.ศ. 2542 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเวียนนาได้รายงานการเลี้ยวเบนของฟูลเลอรีน^{[ 12 ]}ฟูลเลอรีนเป็นวัตถุที่มีขนาดใหญ่และมวลมากเมื่อเทียบกับวัตถุอื่น โดยมีมวลอะตอมประมาณ720  Daความยาวคลื่นเดอ บรอยล์ของลำแสงตกกระทบอยู่ที่ประมาณ 2.5  pmในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลอยู่ที่ประมาณ 1  nmซึ่งใหญ่กว่าประมาณ 400 เท่า ในปี 2012 การทดลองการเลี้ยวเบนระยะไกลเหล่านี้สามารถขยายไปยัง โมเลกุลฟ ทาโลไซยานีนและอนุพันธ์ที่หนักกว่า ซึ่งประกอบด้วยอะตอม 58 และ 114 อะตอมตามลำดับ ในการทดลองเหล่านี้ การสร้างรูปแบบการรบกวนดังกล่าวสามารถบันทึกได้แบบเรียลไทม์และด้วยความไวระดับโมเลกุลเดี่ยว^{[ 13 ]}

ในปี 2546 กลุ่มเวียนนายังได้สาธิตลักษณะคลื่นของเตตระฟีนิลพอร์ไฟริน^{[ 14 ]}ซึ่งเป็นไบโอไดที่มีรูปร่างแบนราบ มีความยาวประมาณ 2 นาโนเมตร และมีมวล 614 ดาลตัน สำหรับการสาธิตนี้ พวกเขาใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบทัลบอต-เลาในระยะใกล้^{[ 15 ] [ 16 ]}ในอินเตอร์เฟอโรเมตรเดียวกันนี้ พวกเขายังพบแถบการรบกวนสำหรับ C F บัคกี้บอลที่มีฟลูออรีนมีมวลประมาณ 1600 ดาลตัน ประกอบด้วยอะตอม 108 อะตอม^{[ 14 ]}โมเลกุลขนาดใหญ่มีความซับซ้อนมากจนทำให้สามารถเข้าถึงแง่มุมบางอย่างของอินเตอร์เฟซควอนตัม-คลาสสิกได้ด้วยวิธี การทดลอง เช่น กลไก การลดความสอดคล้อง บางอย่าง ^{[ 17 ] [ 18 ]}ในปี 2554 การรบกวนของโมเลกุลที่มีน้ำหนักมากถึง 6910 ดาลตัน สามารถสาธิตได้ในอินเตอร์เฟอโรเมตรแบบคาปิตซา-ดิแรก-ทัลบอต-เลา^{[ 19 ]}ในปี 2556 ได้มีการสาธิตการรบกวนของโมเลกุลที่มีมวลเกิน 10,000 Da ^{[ 20 ]}

การทบทวนอย่างครอบคลุมในปี 2008 โดย Alexander D. Cronin, Jörg Schmiedmayer และDavid E. Pritchardได้บันทึกวิธีการทดลองใหม่ๆ มากมายสำหรับการวัดการแทรกสอดของอะตอม^{[ 21 ]} เมื่อไม่นานมานี้ เครื่องวัดการแทรกสอดของอะตอมได้เริ่มออกจากสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการและเริ่มนำไปใช้งานหลากหลายในสภาพแวดล้อมจริง^{[ 22 ] [ 23 ]}

แม้ว่าการใช้อะตอมจะช่วยให้เข้าถึงความถี่ที่สูงขึ้น (และด้วยเหตุนี้จึงมีความแม่นยำมากขึ้น) เมื่อเทียบกับแสงแต่อะตอมมีมวลและเคลื่อนที่ช้ากว่า ดังนั้นจึงได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง มากกว่าลำแสง ^{[ 24 ]}ในอุปกรณ์บางชนิด อะตอมจะถูกดีดขึ้นด้านบน และการแทรกสอดจะเกิดขึ้นในขณะที่อะตอมกำลังบินอยู่ หรือในขณะที่ตกลงมาอย่างอิสระ^{[ 25 ]}ในการทดลองอื่นๆ ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงจากการเร่งความเร็วอย่างอิสระไม่ได้ถูกหักล้าง มีการใช้แรงเพิ่มเติมเพื่อชดเชยแรงโน้มถ่วง^{[ 26 ] [ 27 ]}โดยหลักการแล้ว ระบบนำทางเหล่านี้สามารถให้เวลาในการวัดได้ตามต้องการ ตราบใดที่ยังคงรักษา ความสอดคล้องของควอนตัม ไว้

อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมรุ่นแรกๆ ใช้ช่องหรือลวดสำหรับตัวแยกแสงและกระจก ระบบรุ่นหลังๆ โดยเฉพาะระบบนำทาง ใช้แรงแสงในการแยกและสะท้อนคลื่นสสาร^{[ 28 ]}

เทคนิคต้นแบบสำหรับการแทรกสอดอะตอมเกี่ยวข้องกับการแยก การสะท้อน และการรวมคลื่นสสารอะตอมโดยใช้พัลส์ของแสง เทคนิคนี้เรียกอีกอย่างว่าเครื่องวัดการแทรกสอดอะตอม Kasevich-Chu ซึ่งตั้งชื่อตามผู้เขียนบทความปี 1991 ^{[ 29 ]}วิธีนี้ใช้ลำแสงที่เคลื่อนที่สวนทางกันซึ่งสร้างการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะควอนตัมสองสถานะที่ติดป้ายกำกับว่าและ[ ^{30 ] เลเซอร์}ทั้งสองตัวถูกปรับให้ไม่ตรงกับความถี่เรโซแนนซ์จากสถานะที่ถูกกระตุ้นด้วยความถี่ Δ เพื่อหลีกเลี่ยงการกระตุ้นและการให้ความร้อนอะตอมแบบเรโซแนนซ์ ${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$

นอกจากการเปลี่ยนสถานะการหมุนของอะตอมแล้ว การเปลี่ยนผ่าน Raman ที่เคลื่อนที่สวนทางกันยังให้แรงผลักโมเมนตัมแก่ส่วนประกอบหนึ่ง^{[ 30 ]}ในฐานสปิน-โมเมนตัม พัลส์ของแสง Raman ที่มีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมจะเปลี่ยนผ่านระหว่างและการใช้พัลส์ (ดูRamsey interferometer ) แสงกับ จะสร้างสถานะ พัน กัน${\displaystyle \hbar {\vec {k}__{eff}=\hbar ({\vec {k}__{2}-{\vec {k}__{1})}$${\displaystyle |0,0\rangle }$${\displaystyle |1,\hbar {\vec {k}__{eff}\rangle }$${\displaystyle \pi /2}$${\displaystyle \psi _{0}=|0,0\rangle }$${\displaystyle \psi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(|0,0\rangle +|1,\hbar {\vec {k}}_{eff}\rangle \right)}$

อินเตอร์เฟอโรเมตรถูกสร้างขึ้นโดยพัลส์รามานสามพัลส์ใน รูปแบบ – – ที่คั่นด้วยช่วงเวลาที่ไม่เกิดปฏิสัมพันธ์ร่วมกันแผนการนี้คล้ายคลึงกับอินเตอร์เฟอโรเมตรแบบ Mach–Zehnderสำหรับแสง โดยพัลส์แรกจะแยกคลื่นสสารให้เดินทางไปตามวิถีสองทางที่แตกต่างกัน พัลส์ที่สองจะสะท้อนแพ็กเก็ตกลับมาหากัน และพัลส์สุดท้ายจะรวมคลื่นสสารเข้าด้วยกัน สถานะที่วัดได้ของคลื่นสสารหลังจากลำดับอินเตอร์เฟอโรเมตรขึ้นอยู่กับความแตกต่างของเฟสทั้งหมดที่สะสมตามวิถีสองทางที่แตกต่างกัน ทำให้ได้ความน่าจะเป็นสุดท้ายที่จะอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งดัง^{[ 31 ]}โดยที่คือความชัดเจนหรือความคมชัดของแถบอินเตอร์เฟอโรเมตรเนื่องจากคลื่นสสารอยู่ในสภาวะตกอย่างอิสระเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง ความแตกต่างของเฟสจึงขึ้นอยู่กับความเร่งโน้มถ่วงดัง^{[ 30 ]}โดยที่คือความแตกต่างของเฟสเพิ่มเติมใดๆ ของลำแสงเลเซอร์รามานที่เกิดขึ้นระหว่างพัลส์แสง^{[ 32 ]}${\displaystyle \pi /2}$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi /2}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \เดลต้า \varphi }$$${\displaystyle P={\frac {1}{2}}\left(1-C\cos(\Delta \varphi )\right),}$$${\displaystyle C}$${\displaystyle g}$$${\displaystyle \Delta \varphi ={\vec {k}__{eff}\cdot {\vec {g}}~T^{2}+\Delta \phi _{L},}$$${\displaystyle \Delta \phi _{L}}$

ความไวของอินเตอร์เฟอโรเมตรต่อแรงโน้มถ่วงหรือแรงเฉื่อยขึ้นอยู่กับ:

• พื้นที่อวกาศ-เวลาที่ล้อมรอบด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตร ซึ่งเพิ่มขึ้นสำหรับค่าที่มากขึ้น^{[ 33 ]}${\displaystyle T}$
• เสถียรภาพเฟสสัมพัทธ์ของลำแสงรามานที่เคลื่อนที่สวนทางกัน
• จำนวนอะตอมในกลุ่มอะตอมเย็นที่ถูกกักไว้ซึ่งประกอบกันเป็นอินเตอร์เฟอโรเมตร ยิ่งสัดส่วนของอะตอมที่เข้าร่วมมากขึ้น ค่าก็จะยิ่งเพิ่มขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ อะตอมที่มีอุณหภูมิจำกัดอาจไม่ได้รับพัลส์รามาน หรือพัลส์รามานอย่างแม่นยำ${\displaystyle C}$${\displaystyle \pi /2}$${\displaystyle \pi }$

กลุ่ม	ปี	ชนิดของอะตอม	วิธี	ผลที่วัดได้
พริตชาร์ด	1991	นา , นา	ตะแกรงที่ผลิตด้วยนาโนเทคโนโลยี	ค่าสภาพโพลาไรซ์ ดัชนีหักเห
คลอเซอร์	พ.ศ. 2537	เค	อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบทัลบอต-เลา
ไซลิงเกอร์	พ.ศ. 2538	อาร์	ตะแกรงเลี้ยวเบนคลื่นแสงนิ่ง
เฮล์มเกบอร์เด	1991		แรมซีย์-บอร์ด	ค่าโพลาไรซ์, ปรากฏการณ์อาฮาโรนอฟ-โบห์ม : exp/theo , ปรากฏการณ์ซาญัก 0.3 เรเดียน/วินาที/ เฮิร์ตซ์ ${\displaystyle 0.99\pm 0.022}$${\displaystyle \surd }$
ชู	1991 1998	นา ซี	อินเตอร์เฟอโรเมตร Kasevich–Chu พัลส์แสง การเลี้ยวเบนรามาน	เครื่องวัดความโน้มถ่วง : ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด :${\displaystyle 3\cdot 10^{-10}}$${\displaystyle \alpha \pm 1.5\cdot 10^{-9}}$
คาเซวิช	1997 1998	ซี	พัลส์แสง การเลี้ยวเบนรามาน	ไจโรสโคป: เรเดียน/วินาที/ เฮิร์ตซ์, กราดิโอมิเตอร์ : ${\displaystyle 2\cdot 10^{-8}}$${\displaystyle \surd }$
เบอร์แมน			ทัลบอต-เลา
มุลเลอร์	2018	ซี	อินเตอร์เฟอโรเมตร Ramsey-Bordé	ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด :${\displaystyle \alpha \pm 2\cdot 10^{-10}}$

ในปี 2009 โฮลเกอร์ มุลเลอร์, อาคิม ปีเตอร์ส และสตีเวน ชู ได้ทำการวัดค่า การเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงอย่างแม่นยำ และไม่พบการละเมิดทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป7 × 10 ⁻⁹ . ^{[ 34 ]}

ในปี 2020 ปีเตอร์ อาเซนบอม, คริส โอเวอร์สตรีท, มินจอง คิม, โจเซฟ เคอร์ติ และมาร์ค เอ. คาเซวิช ได้ใช้การแทรกสอดของอะตอมเพื่อทดสอบหลักการสมดุลในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป พวกเขาพบว่าไม่มีการละเมิดใดๆ เกิดขึ้น10 ⁻¹² . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ความไวของอินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมต่ออิทธิพลภายนอกจะดีขึ้นเมื่อเวลาการแยกตัวของคลื่นสสารเพิ่มขึ้น^{[ 34 ]}ดังนั้น อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบตกอิสระที่มีความไวสูงจึงต้องการระยะการตกที่ยาว ตัวอย่างเช่น การทดลอง MAGIS-100 ที่Fermilabใช้หอคอยตก 100 เมตร โดยมีเป้าหมายเพื่อตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงและสสารมืดที่ มีน้ำหนักเบามาก ^{[ 37 ]}ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่ามีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติผ่านทางแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อะตอมในอวกาศอาจมีความไวต่อคลื่นแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่าหอดูดาวภาคพื้นดิน^เช่น LIGO [ ^{38 ]}

ไจโรสโคปแบบอินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอม (AIG) และไจโรสโคปแบบสปินอะตอม (ASG) ใช้อินเตอร์เฟอโรเมตรอะตอมในการตรวจจับการหมุน หรือในกรณีหลัง ใช้สปินอะตอมในการตรวจจับการหมุน โดยทั้งสองแบบมีขนาดกะทัดรัด ความแม่นยำสูง และสามารถผลิตได้ในระดับชิป^{[ 39 ] [ 40 ]}

• เครื่องวัดการรบกวนของอิเล็กตรอน
• การวัดด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบแรมซีย์

• PR Berman [บรรณาธิการ], Atom Interferometry . Academic Press (1997). ภาพรวมโดยละเอียดของเครื่องวัดการแทรกสอดของอะตอมในเวลานั้น (บทนำและทฤษฎีที่ดี)
• บทวิจารณ์ของสเตดแมนเกี่ยวกับปรากฏการณ์แซกแนค