Квантовый интерферометр на сверхтекучем гелии-4

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 531.383

КВАНТОВЫЙ ИНТЕФЕРОМЕТР НА СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ-4

В.С. ЧЕРНИЧЕНКО, А.И. БИДЕНКО, Н.И. КРОБКА, Н.В. ТРИБУЛЕВ (ФГУП «ЦЭНКИ» НИИ прикладной механики им. акад. В.И. Кузнецова», Москва)

Интерферометры, применяемые в различных областях современной науки и техники, построены по принципу измерения разности фаз, обусловленной различными физическими явлениями в различных средах. Они основаны на волновых свойствах материи, начиная от классических света и звука, заканчивая современными волнами частиц, обладающих массой покоя (электронов, атомных пучков, нейтронов, Бозе-Эйнштейна конденсатах и сверхтекучем гелии).

Несмотря на то, что квантовые интерферометры на сверхтекучем 4He (ГСГ) только начинают завоевывать себе место в мировой гироскопии, за последние восемь лет, со дня их первого создания, разработчикам удалось достичь значительных результатов как в повышении точности за счет калибровки конструкции, так и благодаря открытию и экспериментальному подтверждению новых эффектов и свойств.

Представлен новый тип датчиков угловой скорости на сверхтекучем гелии-4. Описан принцип работы прибора, метод линеаризации выходной характеристики.

ГСГ, главным образом, использует когерентные осцилляции двух (и более) Джозефсоновских контактов в контуре, которые вызваны приложением градиента химического потенциала сквозь матрицу наноразмерных апертур в нитрид-кремниевой мембране. Такая мембрана служит потенциальным барьером (берегом джозефсоновского контакта), разделяющим два резервуара со сверхтекучим гелием.

Градиент химического потенциала создает когерентный поток гелия с типичной частотой Джозефсона: (где h - постоянная Планка), который может описываться ток-фазовой зависимостью Джозефсона или эффектом «проскальзывания» фазы [1]. Такие осцилляции вызывают акустическую волну в слышимом диапазоне частот (порядка ~ 700Гц). Этот эффект «свистка» может быть детектирован высокочувствительным микрофоном, который гидравлически связан с гелием сверхгибкой мембраной, чье движение детектируется датчиком перемещений на базе dc-SQUID [2]. Сконструированный подобным образом контур имеет два источника отчетливых свистков с соответствующими квантовыми фазами. В сумме на выходе видна интерференционная картина в виде косинусной модуляции двух синусовых функций. Фаза суммарной функции выглядит следующим образом:. Следовательно, в ГСГ фазовые изменения отдельных контактов выводятся из изменений амплитуды осцилляций. Сдвиг фаз можно вызвать несколькими различными способами. Например, вращением (эффект Саньяка[3,4]), а также тепловым потоком, вызванным нагревателем и термостоком, интегрированными в контур. Сверхтекучая скорость пропорциональна градиенту фазы сверхтекучего параметра порядка (макроскопической волновой функции), согласно уравнению:

(1)

где m4 - масса атома гелия. Таким образом, ГСГ можно считать высокочувствительным детектором скоростей сверхтекучего потока гелия в контуре.

Рисунок 1 - схема интерферометра (а) и эквивалентный ему электрический контур.

интерферометр квантовый сверхтекучий гелий

Пунктирные стрелки показывают направление роста фазы. Нагреватель Rsense и термосток S в вехней горизонтальной трубке контура продуцирует обратный сверхтекучий поток от S к R. Это вызывает дополнительный сдвиг фаз Dfheat между двумя вертикальными каналами (а также между двумя контактами Джозефсона, показанными как Х.

Эффекты, которые изменяют эту скорость, могут быть детектированы и измерены этим устройством. Результирующая (модулированная) амплитуда осцилляций It является периодической функцией относительного фазового сдвига между двумя рукавами интерферометра:

Рисунок 2 - Интерференционная картина как модуляция двух осцилляций вследствие вращения криостата вокруг вертикальной оси местной вертикали на широте Беркли. Данные получены в различных ориентациях криостата с шагом в 1° [5].

(2)

где a=(I1+I2) - максимальная амплитуда, фактор асимметрии двух амплитуд. Для ситуации, показанной на рисунке 1(б),

(3)

где - сдвиг фаз от нагревателя, - любой внешне вызванный фазовый сдвиг (например, вращением ), - любой другой постоянный сдвиг фаз, например, из-за циркуляции гелия в контуре.

Линеаризация выходной характеристики

Рисунок 3 - интерференционная картина, полученная при включенном нагревателе в отсутствие вращения. Сдвиг фаз вызван лишь одной составляющей . Две области на наклоне кривой показаны как [D] - наклон вниз и [U] - наклон вверх [5]

Идея введения в контур дополнительного сдвига фаз от нагревателя состоит в компенсации внешнего вращения, вызванного, например, вращением Земли, тем самым поддерживая фазу (и амплитуду свиста) постоянной. Элемент, изображенный на рисунке 1. Tеплота Q, подаваемая на нагреватель, Rsense создает обратный поток в контуре. Изменение фазы между рукавами интерферометра выглядит следующим образом:

, (4)

где с, сn и сs - общая, нормальная и сверхтекучая плотности соответственно, s - удельная энтропия, T - температура в трубке, l - длина горизонтальной трубки, у - ее диаметр.

Рисунок 3 - один из экспериментальных данных, полученный в Беркли с использованием включенной системы нагревателя и термостока. сдвиг фаз (показанный на рисунке 2), здесь заменен на . Рисунок 3 позволяет определить коэффициенты a, b и kh, где kh относится к теплоте , необходимый для периодичности фазового сдвига. Из уравнения (4) видно, что подавая необходимую мощность на нагреватель можно получить линейный выходной сигнал, вызванный вращением. Параметр kh является калибровочным для этого устройства, соединяя мощность нагревателя в сдвиг фаз, в то время как a и b используются для оптимизации автоматизированной обратной связи.

Рисунок 4 - Пример динамической обратной связи, демонстрирующей продолжительную работу ГСГ. Приблизительный наклон кривой -1. Вертикальное ограничение соответствует 7 циклам смещения нагревателя в сумме с фазой от вращения, зафиксированной в месте наибольшего наклона кривой.

Заключение

В докладе продемонстрирован ГСГ на гелии-4, разработанный в Беркли. Интерферометр имеет отрицательную обратную связь, которая позволяет измерять вращение в течение долгого времени при линейной выходной характеристике.

Литература

[1] Y. Sato and R. E. Packard, Rep. Prog. Phys. 75, 016401 (2012)

[2] H. A. Chan, M. V. Moody, and H. J. Paik, Phys. Rev. D 35, 3572 (1987)

[3] L. A. Page, Phys. Rev. Lett. 35, 543 (1975)

[4] S. A. Werner, J. L. Staudenmann, & R. Colella, Phys. Rev. Lett. 42, 1103 (1979)

[5] A. Joshi, R. Packard J. Low Temp. Phys. Jan. 2013

Размещено на Allbest.ru