冷原子干涉仪及空间应用.docx

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1、冷原子干预仪及空间应用原子干预仪是利用原子物质波的特性而实现的干预仪,冷原子具有 很小的速度和速度分布以及良好的相干性，因而冷原子干预仪具有很高的 灵敏度.文章介绍了原子干预仪的根本物理原理？国内外研究进展?原子干 预仪实现方案及其在精密测量和空间科学领域中的应用.冷原子,原子干预仪,惯性测量Abstract Atom interferometers are based on the matter wave feature of atoms. Cold atoms have low velocity, small velocity distribution and good coherence

2、, thus cold atom interferometers display excellent sensitivity. In this paper, we describe the basic principle, recent progress, realization schemes and space applications of cold atom interferometers.Keywords cold atom, atom interferometers, gravity measurement1引言波的干预是自然界的本质特性.光是一种电磁波，光的干预现象早已被人 认识

3、.根据量子理论,任何微观粒子（如电子？中子？原子?分子）都具有波粒 二象性,微观粒子的波动性（称为物质波或德布罗意波）由波函数描述,服 从薛定谓方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实 现了脉冲式原子干预仪以来1,原子干预仪在精密测量领域得到了广泛 的应用，典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量2,3,旋转速率测 量和地球自转速率的测量4,5,6,牛顿引力常数的测量710以及精细 结构常数的测量等.利用原子干预仪验证等效性原理12,13以及原 子干预仪在空间应用已经引起关注14,15.原子干预仪基于物质的波动特性，实质是对原子波包的相干操作.将原子 波包相干地分束和合束

4、后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径 即产生干预条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构 16和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内 禀特性,基于原子干预的原子陀螺仪和原子加速度计，可到达的灵敏度远 高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波 的薛定谓方程，可得到同等环路面积条件下，原子陀螺仪与光学陀螺仪灵 敏度的比值为？?R?gyro=mc2h V =入入？deBev , (1) ?其中C为真空中光 速，入是光波波长，V是光频率，U为原子的运动速度，m是原子的质 量， ?deB=h/m U是原子的德布罗意波波长.因为入?deB

5、?入，且U ? c, 故在典型条件下,R?gyr。IOIO,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积 的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所 以与激光干预仪相比，原子干预仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运 动速度远慢于光速，因此在原子陀螺仪中，原子飞越相同的干预路程时将 经历更长时间的转动，从而产生更大的条纹移动.类似的分析发现,原子加 速度计的内禀灵敏度与光学的比值为？?R?accel=2mc2h V cv=2入入？deB(cv)2 . (2)?在典型条件下，该比值达 1017.原子干预的历史要追溯到20世纪初期，1924年,Hanle在原子蒸汽中研究 了持续几十个纳

6、秒的原子相干叠加态17,随着原子束技术的开 展,Stern-Gerlach磁场被用来选择和保存原子在特定的量子态中，1938 年,Rabi采用射频共振技术实现了原子内部量子态的改变18. 1949 年,Ramsey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加，用别离振荡场技 术实现原子内部量子态的相干操作，为实际应用带来重大变化19,典型 应用有原子频率标准,核磁共振波谱和量子信息等.随着冷原子技术的开 展,采用冷原子的原子干预仪得到了迅速开展，1991年,朱棣文用受激拉曼 脉冲序列对冷原子内部量子态操作,使原子波包相干分束?反射和合束,原 子外部量子态在波包自由演化后通过原子内部量子态进行测量，实

7、现了受 激拉曼跃迁式原子干预仪;2019年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的 精密测量，精度到达10-8(rads)/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极 化干预仪.美国耶鲁大学继2019年实现了大面积光-脉冲原子干预仪之后, 又于2019年利用原子干预仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏度达10-9g /Hz.目前国际上灵敏度最高的原子干预陀螺仪用热原子束实现4,6.热原子 束的优点是原子数多，可以获得更高的信噪比.从提高灵敏度来讲,得到更 大的干预环路面积需要增加长度或者降低原子速度，热原子束速度很大， 通常为每秒几百米,冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系 统集成和小型化方面有着明

8、显优势.冷原子陀螺仪通常采用双环路原子干 预仪的构型实现5,其优点在于可将系统小型化，同时可以抑制共模噪声 和方便提取旋转相移.重力加速度引起的相移为？ A?=12(k?effXg)T2?,T是拉曼脉冲时间间隔，可以通过降低原子速 度来增加相移，因此，冷原子在测量重力加速度方面比热原子具有明显的 优势.2原子干预仪的原理光或原子的波动与干预可由图1所示的着名的杨氏双狭缝实验来演示.这 也是原子干预仪的根本原理，即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果将产生干预原子干预仪的运作一般分为几个步骤:原子初态制备?原子波包相干分束? 原子波包自由演化？原子波包相干合束?原子末态探测.下面以拉曼型原子

9、干预仪为例，介绍原子干预仪的根本物理原理和相关应用.在原子干预仪中，要相干地对原子波包分束和合束,并保证原子波包在自 由演化过程中保持其相干特性，最初原子干预仪设计类似于光波杨氏双缝 干预仪实验20,21,但用激光对原子产生的力学效应，使原子在吸收或受 激辐射光子的同时得到光子反冲动量，使原子波包分束和合束，用受激拉 曼过程对原子波包相干操作,使原子获得双光子反冲动量,从而增加原子 干预环路的面积,提高原子干预仪的灵敏度2224.4原子干预仪在精密测量中的应用冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密测量领域有着独特 的优孰原子干预仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比较.利 用原子干

10、预仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率到达2 10-8 (g) /Hz 2,重力梯度仪的分辨率到达410-9 (gm) /Hz 3,牛顿 引力常数测量不确定度到达0 003 X 10-llm3kg-ls-2 9,10,用热原子 束实现原子陀螺仪灵敏度到达1.4X10-10rads,偏置稳定度到达7X10-5 ( )h,短期噪声到达3X10-5 (o )h4,6.冷原子陀螺仪的灵敏度在10 min 平均时间到达 1.4X107rads5.5原子干预仪空间应用美国斯坦福大学？麻省理工学院等研究单位对原子陀螺仪进行了深入的科 学研究，美国宇航局(NASA)启动了空间原子重力梯度仪研制方案,用以精

11、 密测量地球重力场.欧洲空间局(ESA)启动了 HYPER(hyper-precision cold atom interferometry in SPaCe）方案，该方案首次用原子干预仪作为加速 度和转动的传感器来控制飞船（与卫星定位系统连用），同时进行重力磁 效应和量子重力的科学研究，包括精细结构常数的测量和物质波相干等实 验15.HYPER的第一个卫星使命是用冷原子干预仪作为惯性传感器控制飞船,用 4个原子干预仪组成2个双环路原子陀螺仪测量2个正交方向的加速度和 旋转，通过激光控制原子的速度,使2个原子陀螺仪工作在不同模式：粗测 和细测.粗测的灵敏度为10-9rads ,用作姿态和轨道控

12、制系统（AOCS）；细 测的灵敏度为10-12rads ,用来测量引力效应.HYPER对精细结构常数独 立测量不依赖于量子电动力学,预计提高一个量级,用于比较量子电动力 学的结果,HYPER将进行引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和进行量 子引力实验.6小结利用原子干预仪可进行精密物理测量,例如：转动?加速度?加速度梯度等. 因而，原子干预仪在导航定位?地下掩体探测?探矿找油等方面有广泛的应 用前景.原子干预仪性能的进一步提高将受到两方面的限制：（1）由于重力的影响, 原子飞行的时间有限,飞行路径包含的面积较小,难以进一步提高灵敏 度；（2）在原子动量起伏较大的情况下，不能将原子束等比例地别离

13、到两个 路径上，降低了干预条纹的比照度.因此，除了改善现有原子干预仪的方案 之外,开展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干预仪未来的主要 开展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.在原子束源方 面，采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干预仪研究，可以比采用一般磁光 阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面, 原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力，有利于 开展小型化原子干预仪.参考文献lKasevich M, Chu S. Phys. Rev. Lett. , 1991,67：1812Peters A, Chung K Y, Chu S. N

14、ature, 2019, 400：8943McGuirk J M, Foster G T, Fixler J B et al. 2019, Phys. Rev. A,65:0336084Gustavson T L,Landragin A, Kasevich M A. Class. Quantum Grav., 2019, 17:23855Canuel B, Leduc F, Holleville D et al. Phys. Rev. Iett. , 2019,97:0104026Durfee D S, Shaham Y K, Kasecich M A. Phys. Rev. Lett.,20

15、19,97:2408017FiXIer JB, Foster G T, McGuirk J M et al. Science, 2019, 315：5808 8Bertoldi A, Lamporesi G, Cacciapuoti L et al. Euro. Phys. J. D,2019, 40： 2719Lamporesi G , Bertoldi A, Cacciapuoti L et al. Phys. Rev. Lett., 2019,100:05080110Muller H, Chiow S, Herrmann S et al. Phys. Rev. Lett. , 2019,

16、100:031101llWeiss D S, Young B C, Chu S. Appl. Phys. B, 1994, 59:217 12Fray S, Diez C A, Hansch T W et al. Phys. Rev. Lett., 2019,93:240404.13Dimopoulos S , Graham P W, Hogan J M et al. Phys. Rev. Lett., 2019, 98:11110214Lee M C, Israelsson U E. Physica B, 2019, 329：164915 Jentsch C, Muller T, Rasel E M et al. Ge