冷原子干涉儀及空間應(yīng)用

/冷原子干預(yù)儀及空間應(yīng)用原子干預(yù)儀是利用原子物質(zhì)波的特性而實(shí)現(xiàn)的干預(yù)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(yù)儀具有很高的靈敏度.文章介紹了原子干預(yù)儀的根本物理原理?國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展?原子干預(yù)儀實(shí)現(xiàn)方案及其在精密測(cè)量和空間科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.冷原子,原子干預(yù)儀,慣性測(cè)量AbstractAtominterferometersarebasedonthematterwavefeatureofatoms.Coldatomshavelowvelocity,smallvelocitydistributionandgoodcoherence,thuscoldatominterferometersdisplayexcellentsensitivity.Inthispaper,wedescribethebasicprinciple,recentprogress,realizationschemesandspaceapplicationsofcoldatominterferometers.Keywordscoldatom,atominterferometers,gravitymeasurement1引言波的干預(yù)是自然界的本質(zhì)特性.光是一種電磁波,光的干預(yù)現(xiàn)象早已被人認(rèn)識(shí).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(dòng)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(shí)現(xiàn)了脈沖式原子干預(yù)儀以來(lái)[1],原子干預(yù)儀在精密測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,典型的應(yīng)用有重力加速度測(cè)量和重力梯度測(cè)量[2,3],旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量和地球自轉(zhuǎn)速率的測(cè)量[4,5,6],牛頓引力常數(shù)的測(cè)量[7—10]以及精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量[11]等.利用原子干預(yù)儀驗(yàn)證等效性原理[12,13]以及原子干預(yù)儀在空間應(yīng)用已經(jīng)引起關(guān)注[14,15].原子干預(yù)儀基于物質(zhì)的波動(dòng)特性,實(shí)質(zhì)是對(duì)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(gè)或者多個(gè)路徑,觀察這些不可區(qū)分路徑即產(chǎn)生干預(yù)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(yù)的原子陀螺儀和原子加速度計(jì),可到達(dá)的靈敏度遠(yuǎn)高于激光陀螺儀或激光加速度計(jì).理論上分別求解光波波動(dòng)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(xué)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(zhǎng),ν是光頻率,υ為原子的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng).因?yàn)棣?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(gè)量級(jí).這是由于物質(zhì)波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng),所以與激光干預(yù)儀相比,原子干預(yù)儀對(duì)更小的變化更靈敏;又由于原子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)慢于光速,因此在原子陀螺儀中,原子飛越相同的干預(yù)路程時(shí)將經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng),從而產(chǎn)生更大的條紋移動(dòng).類似的分析發(fā)現(xiàn),原子加速度計(jì)的內(nèi)稟靈敏度與光學(xué)的比值為??R?accel=2mc2hνcv=2λλ?deB(cv)2.(2)??在典型條件下,該比值達(dá)1017.原子干預(yù)的歷史要追溯到20世紀(jì)初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持續(xù)幾十個(gè)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(chǎng)被用來(lái)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(shí)現(xiàn)了原子內(nèi)部量子態(tài)的改變[18].1949年,Ramsey實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間原子內(nèi)部量子態(tài)的相干疊加,用別離振蕩場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原子內(nèi)部量子態(tài)的相干操作,為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)重大變化[19],典型應(yīng)用有原子頻率標(biāo)準(zhǔn),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(yù)儀得到了迅速開展,1991年,朱棣文用受激拉曼脈沖序列對(duì)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(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了受激拉曼躍遷式原子干預(yù)儀;2019年,朱棣文又用原子陀螺儀實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)的精密測(cè)量,精度到達(dá)10-8(rad/s)/Hz.法國(guó)巴黎大學(xué)實(shí)現(xiàn)了冷原子自旋-極化干預(yù)儀.美國(guó)耶魯大學(xué)繼2019年實(shí)現(xiàn)了大面積光-脈沖原子干預(yù)儀之后,又于2019年利用原子干預(yù)儀實(shí)現(xiàn)了靈敏的重力梯度儀,靈敏度達(dá)10-9g/Hz.目前國(guó)際上靈敏度最高的原子干預(yù)陀螺儀用熱原子束實(shí)現(xiàn)[4,6].熱原子束的優(yōu)點(diǎn)是原子數(shù)多,可以獲得更高的信噪比.從提高靈敏度來(lái)講,得到更大的干預(yù)環(huán)路面積需要增加長(zhǎng)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(shì).冷原子陀螺儀通常采用雙環(huán)路原子干預(yù)儀的構(gòu)型實(shí)現(xiàn)[5],其優(yōu)點(diǎn)在于可將系統(tǒng)小型化,同時(shí)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(shí)間間隔,可以通過降低原子速度來(lái)增加相移,因此,冷原子在測(cè)量重力加速度方面比熱原子具有明顯的優(yōu)勢(shì).2原子干預(yù)儀的原理光或原子的波動(dòng)與干預(yù)可由圖1所示的著名的楊氏雙狹縫實(shí)驗(yàn)來(lái)演示.這也是原子干預(yù)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(yù).原子干預(yù)儀的運(yùn)作一般分為幾個(gè)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(cè).下面以拉曼型原子干預(yù)儀為例,介紹原子干預(yù)儀的根本物理原理和相關(guān)應(yīng)用.在原子干預(yù)儀中,要相干地對(duì)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(yù)儀設(shè)計(jì)類似于光波楊氏雙縫干預(yù)儀實(shí)驗(yàn)[20,21],但用激光對(duì)原子產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng),使原子在吸收或受激輻射光子的同時(shí)得到光子反沖動(dòng)量,使原子波包分束和合束,用受激拉曼過程對(duì)原子波包相干操作,使原子獲得雙光子反沖動(dòng)量,從而增加原子干預(yù)環(huán)路的面積,提高原子干預(yù)儀的靈敏度[22—24].4原子干預(yù)儀在精密測(cè)量中的應(yīng)用冷原子具有質(zhì)量和傳播時(shí)間長(zhǎng)等特征決定了它在精密測(cè)量領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).原子干預(yù)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(yù)儀作為慣性傳感器,測(cè)量重力加速度的分辨率到達(dá)2×10-8(g)/Hz[2],重力梯度儀的分辨率到達(dá)4×10-9(g/m)/Hz[3],牛頓引力常數(shù)測(cè)量不確定度到達(dá)±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用熱原子束實(shí)現(xiàn)原子陀螺儀靈敏度到達(dá)1.4×10-10rad/s,偏置穩(wěn)定度到達(dá)7×10-5(°)/h,短期噪聲到達(dá)3×10-5(°)/h[4,6].冷原子陀螺儀的靈敏度在10min平均時(shí)間到達(dá)1.4×10-7rad/s[5].5原子干預(yù)儀空間應(yīng)用美國(guó)斯坦福大學(xué)?麻省理工學(xué)院等研究單位對(duì)原子陀螺儀進(jìn)行了深入的科學(xué)研究,美國(guó)宇航局(NASA)啟動(dòng)了空間原子重力梯度儀研制方案,用以精密測(cè)量地球重力場(chǎng).歐洲空間局(ESA)啟動(dòng)了HYPER(hyper-precisioncoldatominterferometryinspace)方案,該方案首次用原子干預(yù)儀作為加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器來(lái)控制飛船(與衛(wèi)星定位系統(tǒng)連用),同時(shí)進(jìn)行重力磁效應(yīng)和量子重力的科學(xué)研究,包括精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量和物質(zhì)波相干等實(shí)驗(yàn)[15].HYPER的第一個(gè)衛(wèi)星使命是用冷原子干預(yù)儀作為慣性傳感器控制飛船,用4個(gè)原子干預(yù)儀組成2個(gè)雙環(huán)路原子陀螺儀測(cè)量2個(gè)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(gè)原子陀螺儀工作在不同模式:粗測(cè)和細(xì)測(cè).粗測(cè)的靈敏度為10-9rad/s,用作姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)(AOCS);細(xì)測(cè)的靈敏度為10-12rad/s,用來(lái)測(cè)量引力效應(yīng).HYPER對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)獨(dú)立測(cè)量不依賴于量子電動(dòng)力學(xué),預(yù)計(jì)提高一個(gè)量級(jí),用于比較量子電動(dòng)力學(xué)的結(jié)果,HYPER將進(jìn)行引力實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲和進(jìn)行量子引力實(shí)驗(yàn).6小結(jié)利用原子干預(yù)儀可進(jìn)行精密物理測(cè)量,例如:轉(zhuǎn)動(dòng)?加速度?加速度梯度等.因而,原子干預(yù)儀在導(dǎo)航定位?地下掩體探測(cè)?探礦找油等方面有廣泛的應(yīng)用前景.原子干預(yù)儀性能的進(jìn)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(shí)間有限,飛行路徑包含的面積較小,難以進(jìn)一步提高靈敏度;(2)在原子動(dòng)量起伏較大的情況下,不能將原子束等比例地別離到兩個(gè)路徑上,降低了干預(yù)條紋的比照度.因此,除了改善現(xiàn)有原子干預(yù)儀的方案之外,開展全新的技術(shù)來(lái)解決以上兩方面的問題是原子干預(yù)儀未來(lái)的主要開展趨勢(shì).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(jìn)行原子干預(yù)儀研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更長(zhǎng)的相互作用時(shí)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(dǎo)引可以極大地提高人們對(duì)原子的操縱能力,有利于開展小型化原子干預(yù)儀.參考文獻(xiàn)[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