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冷原子干涉仪及空间应用
原子干涉仪是利用原子物质波的特性而实现的干涉仪,冷原子具有很小的速度和速度分布以及良好的相干性,因而冷原子干涉仪具有很高的灵敏度.文章介绍了原子干涉仪的基本物理原理?国内外研究进展?原子干涉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,原子干涉仪,惯性测量
AbstractAtominterferometersarebasedonthematterwavefeatureofatoms.Coldatomshavelowvelocity,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,thuscoldatominterferometersdisplayexcellentsensitivity.Inthispaper,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.
Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement
1引言
波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.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,服从薛定谔方程.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涉仪以来[1],原子干涉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[7—10]以及精细结构常数的测量[11]等.利用原子干涉仪验证等效性原理[12,13]以及原子干涉仪在空间应用已经引起关注[14,15].
原子干涉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涉条纹.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,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到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谔方程,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=mc2hν=λλ?deBcv,(1)??其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度,m是原子的质量,λ?deB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λ?deB?λ,且υ?c,故在典型条件下,R?gyro~1010,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,所以与激光干涉仪相比,原子干涉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,原子飞越相同的干涉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=2mc2hνcv=2λλ?deB(cv)2.(2)??在典型条件下,该比值达1017.
原子干涉的历史要追溯到20世纪初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持续几十个纳秒的原子相干叠加态[17],随着原子束技术的发展,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,用分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.随着冷原子技术的发展,采用冷原子的原子干涉仪得到了迅速发展,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,实现了受激拉曼跃迁式原子干涉仪;2019年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精密测量,精度达到10-8(rad/s)/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干涉仪.美国耶鲁大学继2019年实现了大面积光-脉冲原子干涉仪之后,又于2019年利用原子干涉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涉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,得到更大的干涉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