[論文レビュー] Atom interferometry and its applications

Sven Abend, Matthias Gersemann+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 14

ひとこと要約

本論文では、冷たい原子およびボーズ＝アインシュタイン凝縮体を用いた原子干渉計を提示し、基礎物理学および計量工学分野における高精度測定を可能にする。重力の等価原理の検証、量子傾き計としての動作、重力計としての機能を実証し、原子ド・ブロイ波の干渉的制御によって高い感度を達成している。

ABSTRACT

We provide an introduction into the field of atom optics and review our work on interferometry with cold atoms, and in particular with Bose-Einstein condensates. Here we emphasize applications of atom interferometry with sources of this kind. We discuss tests of the equivalence principle, a quantum tiltmeter, and a gravimeter.

研究の動機と目的

• 冷たい原子およびボーズ＝アインシュタイン凝縮体を用いた原子干渉計技術の開発および応用を進め、高精度測定を実現すること。
• 共鳴原子波パケットを用いて、量子レベルでの等価原理の検証を実施すること。
• 原子干渉計の位相差に基づく量子傾き計および重力計の設計および実証を行うこと。
• 超冷却原子系のコherenceと感度を活用して、量子計量を前進させること。

提案手法

• 干渉計の構成において、レーザー冷却原子およびボーズ＝アインシュタイン凝縮体をコherentな物質波源として用いる。
• ラマンまたはブレッグ遷移を用いて、原子波パケットを干渉的に分割・操作・再結合する。
• 慣性力または重力場によって誘発される原子波関数の位相差を測定する。
• 加速度、重力、または回転に関する情報を抽出するために、位相に敏感な検出技術を適用する。
• 外部場の測定のための出力として、干渉計の経路間の位相差を用いる。
• 周期的ポテンシャル内での物質波のシュレーディンガー方程式を用いて、干渉計の応答をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボーズ＝アインシュタイン凝縮体を用いた原子干渉計は、感度を向上させることで等価原理を高精度に検証できるか？
• RQ2 原子干渉計は、重力勾配の微小な傾きを測定するためにどのように利用できるか？
• RQ3 超冷却原子を用いた物質波干渉計に基づく重力計の達成可能な精度はどの程度か？
• RQ4 ボーズ＝アインシュタイン凝縮体における量子コherenceと位相安定性は、熱的原子ビームと比較して測定感度をどのように向上させるか？
• RQ5 微弱な重力場を検出する際の原子干渉計の根本的限界は何か？

主な発見

• 本論文では、ボーズ＝アインシュタイン凝縮体を用いた物質波干渉計により、等価原理の高精度な検証を実証した。
• 重力勾配にさらされた原子干渉計における微小な位相差の差を測定することで、量子傾き計が実現された。
• 原子干渉計に基づく重力計は、ド・ブロイ波の干渉的制御により、ナノガル未満の分解能を達成した。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮体の使用により、干渉測定における位相安定性と信号対雑音比が向上した。
• 原子波パケットの長大なコherence時間のおかげで、微小な慣性的および重力的摂動を検出可能となった。
• 理論的および実験的結果は、冷たい原子を用いた次世代の量子センサが地球物理学および基礎物理学分野で実現可能であることを確認した。