冷原子干涉儀及空間應用

/冷原子干預儀及空間應用原子干預儀是利用原子物質(zhì)波的特性而實現(xiàn)的干預儀,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干預儀具有很高的靈敏度.文章介紹了原子干預儀的根本物理原理?國內(nèi)外研究進展?原子干預儀實現(xiàn)方案及其在精密測量和空間科學領(lǐng)域中的應用.冷原子,原子干預儀,慣性測量AbstractAtominterferometersarebasedonthematterwavefeatureofatoms.Coldatomshavelowvelocity,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,thuscoldatominterferometersdisplayexcellentsensitivity.Inthispaper,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement1引言波的干預是自然界的本質(zhì)特性.光是一種電磁波,光的干預現(xiàn)象早已被人認識.根據(jù)量子理論,任何微觀粒子(如電子?中子?原子?分子)都具有波粒二象性,微觀粒子的波動性(稱為物質(zhì)波或德布羅意波)由波函數(shù)描述,服從薛定諤方程.物質(zhì)波同樣滿足線性疊加原理,具有相干性.自從1991年實現(xiàn)了脈沖式原子干預儀以來[1],原子干預儀在精密測量領(lǐng)域得到了廣泛的應用,典型的應用有重力加速度測量和重力梯度測量[2,3],旋轉(zhuǎn)速率測量和地球自轉(zhuǎn)速率的測量[4,5,6],牛頓引力常數(shù)的測量[7—10]以及精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量[11]等.利用原子干預儀驗證等效性原理[12,13]以及原子干預儀在空間應用已經(jīng)引起關(guān)注[14,15].原子干預儀基于物質(zhì)的波動特性,實質(zhì)是對原子波包的相干操作.將原子波包相干地分束和合束后形成兩個或者多個路徑,觀察這些不可區(qū)分路徑即產(chǎn)生干預條紋.操作原子波包的方式有激光駐波形成的衍射光柵結(jié)構(gòu)[16]和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物質(zhì)波具有與光波不同的內(nèi)稟特性,基于原子干預的原子陀螺儀和原子加速度計,可到達的靈敏度遠高于激光陀螺儀或激光加速度計.理論上分別求解光波波動方程和物質(zhì)波的薛定諤方程,可得到同等環(huán)路面積條件下,原子陀螺儀與光學陀螺儀靈敏度的比值為??R?gyro=mc2hν=λλ?deBcv,(1)??其中c為真空中光速,λ是光波波長,ν是光頻率,υ為原子的運動速度,m是原子的質(zhì)量,λ?deB=h/mυ是原子的德布羅意波波長.因為λ?deB?λ,且υ?c,故在典型條件下,R?gyro~1010,即原子陀螺儀的內(nèi)稟靈敏度可比同面積的激光陀螺儀高10個量級.這是由于物質(zhì)波波長遠小于可見光的波長,所以與激光干預儀相比,原子干預儀對更小的變化更靈敏;又由于原子的運動速度遠慢于光速,因此在原子陀螺儀中,原子飛越相同的干預路程時將經(jīng)歷更長時間的轉(zhuǎn)動,從而產(chǎn)生更大的條紋移動.類似的分析發(fā)現(xiàn),原子加速度計的內(nèi)稟靈敏度與光學的比值為??R?accel=2mc2hνcv=2λλ?deB(cv)2.(2)??在典型條件下,該比值達1017.原子干預的歷史要追溯到20世紀初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持續(xù)幾十個納秒的原子相干疊加態(tài)[17],隨著原子束技術(shù)的開展,Stern-Gerlach磁場被用來選擇和保存原子在特定的量子態(tài)中,1938年,Rabi采用射頻共振技術(shù)實現(xiàn)了原子內(nèi)部量子態(tài)的改變[18].1949年,Ramsey實現(xiàn)了較長時間原子內(nèi)部量子態(tài)的相干疊加,用別離振蕩場技術(shù)實現(xiàn)原子內(nèi)部量子態(tài)的相干操作,為實際應用帶來重大變化[19],典型應用有原子頻率標準,核磁共振波譜和量子信息等.隨著冷原子技術(shù)的開展,采用冷原子的原子干預儀得到了迅速開展,1991年,朱棣文用受激拉曼脈沖序列對冷原子內(nèi)部量子態(tài)操作,使原子波包相干分束?反射和合束,原子外部量子態(tài)在波包自由演化后通過原子內(nèi)部量子態(tài)進行測量,實現(xiàn)了受激拉曼躍遷式原子干預儀;2019年,朱棣文又用原子陀螺儀實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動的精密測量,精度到達10-8(rad/s)/Hz.法國巴黎大學實現(xiàn)了冷原子自旋-極化干預儀.美國耶魯大學繼2019年實現(xiàn)了大面積光-脈沖原子干預儀之后,又于2019年利用原子干預儀實現(xiàn)了靈敏的重力梯度儀,靈敏度達10-9g/Hz.目前國際上靈敏度最高的原子干預陀螺儀用熱原子束實現(xiàn)[4,6].熱原子束的優(yōu)點是原子數(shù)多,可以獲得更高的信噪比.從提高靈敏度來講,得到更大的干預環(huán)路面積需要增加長度或者降低原子速度,熱原子束速度很大,通常為每秒幾百米,冷原子的速度可以精確地控制在每秒幾米左右,在系統(tǒng)集成和小型化方面有著明顯優(yōu)勢.冷原子陀螺儀通常采用雙環(huán)路原子干預儀的構(gòu)型實現(xiàn)[5],其優(yōu)點在于可將系統(tǒng)小型化,同時可以抑制共模噪聲和方便提取旋轉(zhuǎn)相移.重力加速度引起的相移為?Δ?=12(k?eff×g)·T2?,T是拉曼脈沖時間間隔,可以通過降低原子速度來增加相移,因此,冷原子在測量重力加速度方面比熱原子具有明顯的優(yōu)勢.2原子干預儀的原理光或原子的波動與干預可由圖1所示的著名的楊氏雙狹縫實驗來演示.這也是原子干預儀的根本原理,即不可區(qū)分的兩條路徑的幾率振幅疊加的結(jié)果將產(chǎn)生干預.原子干預儀的運作一般分為幾個步驟:原子初態(tài)制備?原子波包相干分束?原子波包自由演化?原子波包相干合束?原子末態(tài)探測.下面以拉曼型原子干預儀為例,介紹原子干預儀的根本物理原理和相關(guān)應用.在原子干預儀中,要相干地對原子波包分束和合束,并保證原子波包在自由演化過程中保持其相干特性,最初原子干預儀設(shè)計類似于光波楊氏雙縫干預儀實驗[20,21],但用激光對原子產(chǎn)生的力學效應,使原子在吸收或受激輻射光子的同時得到光子反沖動量,使原子波包分束和合束,用受激拉曼過程對原子波包相干操作,使原子獲得雙光子反沖動量,從而增加原子干預環(huán)路的面積,提高原子干預儀的靈敏度[22—24].4原子干預儀在精密測量中的應用冷原子具有質(zhì)量和傳播時間長等特征決定了它在精密測量領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢.原子干預儀作為慣性傳感器可與最好的其他慣性傳感器比較.利用原子干預儀作為慣性傳感器,測量重力加速度的分辨率到達2×10-8(g)/Hz[2],重力梯度儀的分辨率到達4×10-9(g/m)/Hz[3],牛頓引力常數(shù)測量不確定度到達±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用熱原子束實現(xiàn)原子陀螺儀靈敏度到達1.4×10-10rad/s,偏置穩(wěn)定度到達7×10-5(°)/h,短期噪聲到達3×10-5(°)/h[4,6].冷原子陀螺儀的靈敏度在10min平均時間到達1.4×10-7rad/s[5].5原子干預儀空間應用美國斯坦福大學?麻省理工學院等研究單位對原子陀螺儀進行了深入的科學研究,美國宇航局(NASA)啟動了空間原子重力梯度儀研制方案,用以精密測量地球重力場.歐洲空間局(ESA)啟動了HYPER(hyper-precisioncoldatominterferometryinspace)方案,該方案首次用原子干預儀作為加速度和轉(zhuǎn)動的傳感器來控制飛船(與衛(wèi)星定位系統(tǒng)連用),同時進行重力磁效應和量子重力的科學研究,包括精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量和物質(zhì)波相干等實驗[15].HYPER的第一個衛(wèi)星使命是用冷原子干預儀作為慣性傳感器控制飛船,用4個原子干預儀組成2個雙環(huán)路原子陀螺儀測量2個正交方向的加速度和旋轉(zhuǎn),通過激光控制原子的速度,使2個原子陀螺儀工作在不同模式:粗測和細測.粗測的靈敏度為10-9rad/s,用作姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)(AOCS);細測的靈敏度為10-12rad/s,用來測量引力效應.HYPER對精細結(jié)構(gòu)常數(shù)獨立測量不依賴于量子電動力學,預計提高一個量級,用于比較量子電動力學的結(jié)果,HYPER將進行引力實驗來檢驗廣義相對論的時空彎曲和進行量子引力實驗.6小結(jié)利用原子干預儀可進行精密物理測量,例如:轉(zhuǎn)動?加速度?加速度梯度等.因而,原子干預儀在導航定位?地下掩體探測?探礦找油等方面有廣泛的應用前景.原子干預儀性能的進一步提高將受到兩方面的限制:(1)由于重力的影響,原子飛行的時間有限,飛行路徑包含的面積較小,難以進一步提高靈敏度;(2)在原子動量起伏較大的情況下,不能將原子束等比例地別離到兩個路徑上,降低了干預條紋的比照度.因此,除了改善現(xiàn)有原子干預儀的方案之外,開展全新的技術(shù)來解決以上兩方面的問題是原子干預儀未來的主要開展趨勢.這包括改善原子束源和尋找操縱原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-愛因斯坦凝聚體進行原子干預儀研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更長的相互作用時間和更好的信噪比.在原子操縱方面,原子微結(jié)構(gòu)磁囚禁和導引可以極大地提高人們對原子的操縱能力,有利于開展小型化原子干預儀.參考文獻[1]KasevichM,ChuS.Phys.Rev.Lett.,1991,67:181[2]PetersA,ChungKY,ChuS.Nature,2019,400:894[3]McGuirkJM,FosterGT,FixlerJBetal.2019,Phys.Rev.A,65:033608[4]GustavsonTL,LandraginA,KasevichMA.Class.QuantumGrav.,2019,17:2385[5]CanuelB,LeducF,HollevilleDetal.Phys.Rev.lett.,2019,97:010402[6]DurfeeDS,ShahamYK,KasecichMA.Phys.Rev.Lett.,2019,97:240801[7]FixlerJB,FosterGT,McGuirkJMetal.Science,2019,315:5808[8]BertoldiA,LamporesiG,CacciapuotiLetal.Euro.Phys.J.D,2019,40:271[9]LamporesiG,BertoldiA,CacciapuotiLetal.Phys.Rev.Lett.,2019,100:050801[10]MullerH,ChiowS,HerrmannSetal.Phys.Rev.Lett.,2019,100:031101[11]WeissDS,YoungBC,ChuS.Appl.Phys.B,1994,59:217[12]FrayS,DiezCA,HanschTWetal.Phys.Rev.Lett.,2019,93:240404.[13]DimopoulosS,GrahamPW,HoganJMetal.Phys.Rev.Lett.,2019,98:111102[14]LeeMC,IsraelssonUE.PhysicaB,2019,329:1649[15]JentschC,MullerT,RaselEMetal.Gen.Rel.Grav.,2019,36:2197[16]DelhuilleR,ChampenoisC,BuchnerMetal.App.Phys.B,2019,74:489[17]HanleW.Z.Phys.,1924,30:93[18]RabiI,SachariasJ,MillmanSetal.Phys.Rev.,1938,53:318[19]RamseyN.Phys.Rev.,1949,76:996[20]CarnalO,MlynekJ.Phys.Rev.Lett.,1991,66:2689[21]ShimizuF,ShimizuK,Takuma.Proc.SPIE,1992,1726:193[22]KasevichM,ChuS.Appl.Rev.B.,1992,54:321[23]PetelskT.AtomInterferometersforPrecisionGravityMeasurements,Ph.D.thesis,UniversityofFlorence,Florence,2019[24]GustavsonTL.Precisionmeasurementusingatominterferometer,Ph.D.thesis,StanfordUniversity,PaloAlto,CA,2019[25]MolerK,WeissDS,KasevichMetal.Phys.Rev.A,1992,45:342[26]LiRB,WangP,YanHetal.Phys.Rev.A,2019,77:033425[27]WangP,LiRB,YanHetal.Chin.Phys.Lett.,2019,24:27[28]ZhanMSetal.J.Phys.Cof