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Grundlagen der Atominterferometrie Anwendung: Messung der Gravitationsbeschleunigung Felipe Gerhard, Universität Siegen

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Grundlagen der Atominterferometrie

Anwendung: Messung der Gravitationsbeschleunigung

Felipe Gerhard, Universität Siegen

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 2

Grundlagen der Atominterferometrie

MateriewellenAtominterferometrieMessung der Gravitationsbeschleunigung:

TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 3

Teilchen als Welle??

2 2 2 2 40

Energie-Impuls-Beziehung:Efür Photonen:

Zusammen mit Photoeffekt: E= h = (für Photonen)p

Louis de Broglie behauptet 1924:

auch für Materieteilcheh n= !p

= +

=

p c m c

E pchf

λ

λ

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 4

Teilchen als Welle?!1927: Davisson-Germer-Experiment: Beugung eines Elektronenstrahls an Ni-Kristall

Elektronen Röntgenstrahlung

Wellenphänomen: BeugungBilder: http://www.pas-berlin.de/chemie/ch-1/2_Atomistik/240_debroglie_materiewel.html

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 5

Teilchen als Welle!!1957: Jönsson-Experiment: Interferenz eines Elektronenstrahls am Doppelspalt

Wellenphänomen: Interferenz

Claus „Young“ Jönsson

http

://w

ww

.uni

-tueb

inge

n.de

/uni

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/pm

/gifs

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enss

on.jp

g

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 6

Warum Atome als Materiewellen?Experimente möglich mit: Elektronen, Neutronen, Atome, Ionen, Moleküle, (Photonen)

Vorteile der Atome: Durch "laser cooling" lange Messzeiten möglich

(mehrere Größenordnungen besser als mit Photonen,

i

ie oder n)

Strahlteiler und Spiegel aus optischen Pulsen sind präzisetheoretisch berechenbar (Atom-Feld-WW gut verstanden)

gute Manipulierbarkeit und Kontrolle der Materiewellen→

i

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 7

Warum Atome als Materiewellen?Experimente möglich mit: Elektronen, Neutronen, Atome, Ionen, Moleküle, (Photonen)

Vorteile der Atome: Durch "laser cooling" lange Messzeiten möglich

(mehrere Größenordnungen besser als mit Photonen,

i

ie oder n)

Strahlteiler und Spiegel aus optischen Pulsen sind präzisetheoretisch berechenbar (Atom-Feld-WW gut verstanden)

gute Manipulierbarkeit und Kontrolle der Materiewellen→

i

Bilder: http://www.quantenphysik-schule.de/fullerene.htm

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 8

Grundlagen der Atominterferometrie

MateriewellenAtominterferometrieMessung der Gravitationsbeschleunigung:

TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 9

Materiewellen-InterferometerErste Atom-Interferometer 1991:Interferenz mit: (mechanisch gefertigten) Spalten / Gittern, p

Impulsrückstoß (durch Absorption und Eeriodischen

mission von Lich

Phottfeldern,

onen) in e

iii

iner Mach-Zehnder-Konfiguration

Bilder: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Mach-Zehnder_interferometer.svg; www.pi5.uni-stuttgart.de/lehre/wpss05/atom-interferometry.pdf

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 10

Mögliche Messungen

Cs

Naturkonstanten:h M

Gravitationskonstante Feinstrukturkonstante Tests des Äquivalenzprinzips Zeitstandard Beschleuni

Gravitatigungen:

Rotationen funda

on

→→

•••→→

• mentale Bestätigung der QM

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 11

Grundlagen der Atominterferometrie

MateriewellenAtominterferometrieMessung der Gravitationsbeschleunigung:

TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 12

Messung der Gravitationsbeschleunigung -Anwendungen

-6 -9

• Geophysik (Testen von Geo-Modellen)• Erdbeben-Vorhersage• Geodäsie• Aufspüren von Öl-/Wasserreserven• Navigation (von U-Booten)

relative Messgenauigkeit von 10 -10 nötig→

Bild: http://www.wonderquest.com/reptiles-flu-gravitons.htm

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 13

Messung der Gravitationsbeschleunigung

2g2

Wenn von Gravitationsbeschleunigung die Rede ist,ist eigentlich die Schwerebeschleunigung gemeint:

Dabei ist:

g 9,799

schwere gravitation zentrifugal

gravitation

g g g

GMg msR

= +

= → ≈

i

i

2 2z g 0,034

historische Bestimmung: Pendelversuch:

2 . 2

zentrifugalg r ms

l IT bzw Tg mgd

ω

π π

−= → ≈

= =

i

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 14

Absolute Gravimeter• Laserinterferometer: Michelson-Interferometer, dessen einer Arm von einem fallenden Eckspiegel gebildet wird. Problem: Vibrationen müssen unterdrückt werden.

Bilder: http://scienceworld.wolfram.com/physics/mimg453.gif; http://www.sporian.com/images/ccr.gif; Micro-g LaCoste

• Materiewellen-Interferometer

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 15

Grundlagen der Atominterferometrie

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TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 16

(2001)

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 17

Interferometer-Prinzip

1 2

1 2

,

, ,

, ,

a p

a p b p k

b p k a p

ϕ

ϕ α α

ϕ α α

=

= + +

= + +

π -Puls (Strahlteiler)2

π-Puls (Spiegel)

π -Puls2

2 21 2

Detektion der Populationen

Populationswahrscheinlichkeit ist oszillierende Funktion der Phasendifferenz!

(1 cos( ))I I I A C φ= + ∝ + ∆

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 18

Stimulierte Raman-Übergänge IZwei metastabile Zustände nötig: a , b Hyperfein-Zustände im Grundzustand erfüllen Kriterium,

haben aber nur eine kleine Rückstoßgeschwindigkeit optische Übergänge haben große Rückstoßgeschwindigkeit

i

i en,aber technisch schwer zu realisieren (ultra-stabile Laser nötig)

Lösung: Kopplung zweier Hyperfein-Zustände über zwei optische Übergänge→

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 19

Stimulierte Raman-Übergänge II

eff 1 2 1 2

Strahlteiler und Spiegel werden durch realisiert:(1) Das Atom wird von zwei entgegengesetzt-gerichteten Laser bestrahlt.

Effektive Wel

optis

lenzahl: k

Effektive Fre

che Pulse

= − = +k k k k

eff 1 2

eff

quenz:

(2) Absorption und (stimulierte) Emission während eines Raman-Pulses kann den Impuls des Atoms um k ändern. Die Übergangswahrscheinlichkeit hängt von der Pulsfläche (Länge de

= − = hfsω ω ω ω

i

r WW) ab: Strahlteiler / Spiegel(3) Die WW mit dem elm. Feld führt zu einer Änderung der qm. Phase: = −eff i eff ik z tφ ω

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 20

Phasendifferenzen

( )

1 2 3 2

( je nach Anfangszustand)

für oberen b -Detektor:

Licht i i

A A A BLicht

kz tφ ω

φ φ φ φ φ

∆ = ± −

∆ = − + −

Pfad A Pfad B

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 21

Einfluss der Gravitation

2

ohne Gravitationsfeld: mit Gravitationsfeld: 0 Licht Licht effk g Tφ φ→ ∆ = → ∆ = ⋅ ⋅

( ) ( )1 2 3 2A A A B

Lichtφ φ φ φ φ∆ = − + −

T T T T

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 22

Einfluss der Gravitation - Beweis

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

2 1

3 2

2 1 3 2

1 2 3 2

1 1 2 2 3 3 1 2

1 2 3 1 1 2 3 2

ohne Gravitationsfeld: z

0

A A A B

z zz zt t t t T

kz t kz t kz t kz t

k z z z z t t t t

φ φ φ φ φ

φ ω ω ω ω

φ ωφ

− = ∆=

− = − =

∆ = − + −

↔ ∆ = − − − + − − −

↔ ∆ = − + − − − + − +

↔ ∆ =

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

21 2

22 3

2 1 3 2

1 2 3 2

1 1 2 2 3 3 2 2

1 2 3 2 1 2 3 2

2 2

2

mit Gravitationsfeld: 1z232

1 32 2

A

B

A A A B

A B

A B

z z gT

z z z gT

t t t t T

kz t kz t kz t kz t

k z z z z t t t t

k z gT z gT

kgT

φ φ φ φ φ

φ ω ω ω ω

φ ω

φ

φ

− = ∆ −

− = ∆ −

− = − =

∆ = − + −

↔ ∆ = − − − + − − −

↔ ∆ = − + − − − + − +

⎛ ⎞↔ ∆ = ∆ − − ∆ +⎜ ⎟⎝ ⎠

↔ ∆ =

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Grundlagen der Atominterferometrie

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TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 24

Experiment (1) Fountain- Quelle der lasergekühlten Caesium-Atome- Detektor des Endzustands der Atome

(2) Optik- Laser für Raman-Strahlen- magnetische Abschirmung

(3) Anti-Vibrations-System, Kippsensor

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 25

Fountain8- Laden der Cs-Atome in MOT (10 Atome)

- zwei Lasersysteme: Ti-Saphir: Trapping, Detektion Diodenlaser: Repumping, Raman-Frequenz

- Temperatur durch Laserkühlung ca 1,5 K- alle At

µ

Präparierung :

ii

F

max

ome im F=3, m =0-Zustand- Abschalten der Magnetfelder: vertikale Beschleunigung (h = 50cm)

Fluoreszenz-Detektion(1) Detektion der Atome im F=4-Zustand(2) Repumping F=3 F=4(3) Detektion de

Detektion :

r Atome im F=4-Zustand

Messung des ursprünglichen Anteils (unabhängig von Detektoreffizienz )

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 26

Optik

Wissenswert:

Übergangsfrequenzen ändern sich, da die Atome eine Geschwindigkeit besitzen (Doppler-Effekt).

Laserfrequenz muss stetig angepasst werden,um in Resonanz zu bleiben

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 27

Anti-Vibrations-System Veränderungen der Lauflänge der Laserstrahlen führt zu

Phasenverschiebung, die sich als Rauschen in der g-Messung bemerkbar macht.

Unterdrückung von Vibrationen sogar < 1 Hz nötig!

Geologische Hi

i

i ntergrundoszillationen (Mini-Beben) alle5-8 Sekunden müssen ebenfalls unterdrückt werden

nur Spiegel braucht gegen Vibrationen geschützt zu werden aktive Dämpfung mit kurzen Federn und elektr. Feed⇒

iback

Anti-Vibrations-System mit 0,005 Hz-Unterdrückung!⇒

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 28

Anti-Vibrations-System

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 29

Anti-Vibrations-System

besserer Interferenz-Kontrast!

mechanische Resonanz(Tisch, Feder)

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 30

Kippsensor

Genauigkeit des Kippsensors: 5 radFeedback des Kippsensors steuert Strom in den drei Spulen.

3D-Anti-Vibrationssystem unterdrückt dadurch ebenfalls Rotationen.

µ

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 31

Realität

Bild: http://www.stanford.edu/group/chugroup/amo/interferometry.html

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 32

Grundlagen der Atominterferometrie

MateriewellenAtominterferometrieMessung der Gravitationsbeschleunigung:

TheorieExperimenteller AufbauErgebnisse / Fehlerquellen / Diskussion

Zusammenfassung und Literatur

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 33

Der fundamentale Plot

-8

Phase wird durch Verstimmung des Lasers durchlaufen jeder Punkt entspricht einem Launch von Atomen im Abstand von 1,3 s Auflösung eines einzigen Launches: 1,5 10 Genauigkeit nach einer Minute

g⋅

iiii -9(40 Messpunkten): 3 10 g⋅

( )Fit: x = A 1+C cos( )φ⋅ ⋅ ∆

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 34

Langzeitmessungen

Laufzeit: 9 Tage; ein Messpunkt pro Minute Gezeiten-Effekte, halb-empirisches Modell an Daten gefittet (nur ein Parameter!)ii

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 35

Ocean-Loading(a) Laufzeit: 2 Tage; zwei verschiedene Gezeitenmodelle

(b) Abweichungen von den Messpunkten: (i) Erde als elastischer Körper (ii) Berücksichtigung von "ocean loading"-Effekten

Umverteilung des Wassers der Ozeane aufgrund von Gezeiten. Der erhöhte Druck des Wassers senkt die darunterliegende tektonische Platte um mehrere Zentimeter!

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 36

Vergleich mit optischem Gravimeter

-9

Nach Berücksichtigung aller bekannten systematischen Fehler beträgt die Abweichung beider Instrumente: (7 5) 10 g± ⋅

Rauschen desAtominterferometersviermal kleiner!

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 37

Systematische Fehler: Gradient2 7

02 g(z) = g ( ) typisch: 3 10( )

inhomogene Massenverteilungen können einen Gradienten in der gleichen Größenordnung hervorrufen!

GMg z O z gR z

γ γ −= ⇒ − + ≈ ⋅+

-9Fit: =(278 31) 10 gγ ± ⋅

Gradient ist hinreichend linear!Korrekturen 2. Ordnung vernachlässigbar→

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 38

Systematische Fehler: Äußere Einflüsse

jährlich<0,0110Bewegung der Erdachse

saisonalortsabhängig~2 (ortsabhängig)Grundwasser

stündlich1 – 58Luftdruck

täglich0,220Ocean Loading

täglich0,2 – 0,5300Gezeitenkräfte

ZeitskalaQuelle -9Stärke in 10 g -9Fehler in 10 g

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 39

Systematische Fehler: Lokale Massen

130,71 kg

0,1 mAluminium-

Abdeckungen

1,20,780 kg1 m

Experimentalphysiker

43,01000 kg1,5 m

Experimentiertisch

308109 6x1024 kg6,4x106 m

Erde

Masse / EntfernungObjekt -8 -2Stärke (in 10 ms )

Entfernte Objekte ändern den absoluten Wert von g. Naheliegende Objekte führen zu einem Gravitations-Gradienten.ii

-8 -2Gradient (in 10 s )

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 40

Messung des g-Gradienten

Vibrationen und systematische Effekte wirken auf beide Ensembles undheben sich daher bei der Gradientenbestimmung auf! Mit anderer Pulssequenz lassen sich Abweichungen 2. Ordnung messen.

i

i

Experiment nach Snadden, Bouyer, Kasevich (1998)

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 41

Messung des g-Gradienten

Der Gradient äußert sich in einer Phasenverschiebung der beiden Interferenzmuster (45 mrad)!

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 42

Messung des g-Gradienten

2

9 2 9 2exp theo

Aus =k T lässt sich Gradient bestimmen:(3370 175) 10 3080 10s sφ γ γ

γ γ− − − −

∆ ⋅ ⋅

= ± ⋅ = ⋅

2T∝

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 43

Grundlagen der Atominterferometrie

MateriewellenAtominterferometrieMessung der Gravitationsbeschleunigung:

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Zusammenfassung und Literatur

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Felipe Gerhard, Siegen, 16/01/2007

Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 44

Zusammenfassung Materiewellen-Interometer (insbesondere mit Atomen) erlauben

sehr präzise Bestimmung der örtlichen Gravitationsbeschleunigung.

Gegenüber dem State-of-the-art-Laserinterferometer hat dasAtominterfero

i

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-10

meter ein viermal kleineres Rauschen und einehöhere Genauigkeit (bis zu 1 10 nach 2 Tagen Messzeit!).

für die Zukunft: Anwendungen: Entwicklung eines portablen Gerätes Grundlagenphysik: weitere

g⋅

→→

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Verbesserung der Genauigkeit

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 45

Danke für die Aufmerksamkeit!

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Grundlagen der Atominterferometrie: Gravitationsmessungen 46

Literatur"High-precision gravity measurements using atom interferometry". Peters, Chung, Chu. Metrologia, 2001, 38, 25ff."Measurement of gravitational acceleration by dropping atoms". Peters, Chung, Chu. Nature, 400, 1999, 849ff."Measurement of the Earth's Gravity Gradient with an Atom Interferometer-BasedGravity Gradiometer". Snadden, Bouyer, Kasevich. Phys. Rev. Lett. 81, 5, 1998, 971ff."Precision Rotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope". Gustavson, Bouyer, Kasevich. Phys. Rev. Lett. 78, 1, 1997, 2046ff."Measurement of the Gravitational Acceleration of an Atom with a Light-PulseAtom Interferometer". Kasevich, Chu. Appl. Phys. B 54, 1992, 321ff."Atom interferometry using stimulated Raman transitions". Kasevich, Chu. Phys. Rev. Lett. 67, 1991, 181ff."Precision atom interferometry". Peters, Chung, Young, Hensley, Chu. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 355, 1997, 2223ff."Atom Interferometry". Paul Berman (Hrsg.). Academic Press, 1997