[論文レビュー] Bloch oscillations in atom interferometry

Pierre Cladé|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation参考文献 54被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、Bloch振動を用いて超低温ルビジウム原子に数千回の光子反動を効率的に転送する高精度原子干渉計技術を提示している。この技術により、反動速度の相対不確かさが1.3 × 10⁻⁹にまで低下し、量子電磁力学(QED)に依存しない細密構造定数αの最も精密な決定の一つが達成された。

ABSTRACT

In Paris, we are using an atom interferometer to precisely measure the recoil velocity of an atom that absorbs a photon. In order to reach a high sensitivity, many recoils are transferred to atoms using the Bloch oscillations technique. In this lecture, I will present in details this technique and its application to high precision measurement. I will especially describe in details how this method allows us to perform an atom recoil measurement at the level of $1.3 imes 10^{-9}$. This measurement is used in the most precise determination of the fine structure constant that is independent of quantum electrodynamics.

研究の動機と目的

• 原子干渉計を用いて、原子反動速度を10億分の1未塔の精度で測定すること。
• 単一反動測定の限界を克服し、繰り返しの運動量転送によって速度シフトを増幅すること。
• 超高精度な反動速度測定を用いて、量子電磁力学(QED)に依存しない細密構造定数αの決定を可能にすること。
• 2015年のSI再定義を支援するため、プランク定数とルビジウム原子質量の比h/muを介して、原子スケールの質量と巨視的キログラムの間の信頼性の高いリンクを提供すること。
• Bloch振動を量子計測における高忠実度の運動量転送メカニズムとして用いる可能性を実証すること。

提案手法

• 超低温原子に光子反動を効率的に転送するため、2光子反対方向ラーマン遷移を用い、放射能放出を回避する。
• 周期的光ポテンシャル（定常波）を用いてBloch振動を誘発し、一定力の下で原子がコherentに周期的運動することを実現する。
• 原子が運動量を獲得するに従い、共鳴を維持するため線形に周波数を変化させるレーザー周波数を適用し、制御された連続的な反動転送を可能にする。
• 位相感度が反動数Nに依存するMach-Zehnder型原子干渉計を用いて、最終的な原子運動量シフトを測定する。
• ドレッシング原子の図式とWannier-Starkラダーを用いて、周期的ポテンシャル内の量子化されたエネルギー準位を記述する。
• 既知の光子波長を用いて反動速度をキャリブレーションし、ドップラーシフトを測定することで、高精度に運動量転送を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bloch振動を用いて、超低温原子に高忠実度で数千回の光子反動をコherentに転送することは可能か？
• RQ2 この技術を用いた原子反動速度測定の最終的精度限界は何か？また、既存の手法と比較してどうなるか？
• RQ3 反動測定の精度が、量子電磁力学(QED)に依存しない細密構造定数αの決定にどのように影響するか？
• RQ4 反動測定は、プランク定数とアボガドロ定数を介して、SIキログラムの再定義をどの程度支援できるか？
• RQ5 h/mu比（プランク定数÷ルビジウム原子質量）は、原子質量単位と巨視的SI単位系を結ぶ役割を果たすが、どの程度の精度で決定できるか？

主な発見

• ルビジウム原子の反動速度は、相対不確かさ1.3 × 10⁻⁹で測定され、これまでは達成できなかった高い精度を実現した。
• Bloch振動を用いて、N ≈ 1000回の反動転送を達成し、干渉計の感度がσvr ∝ σv / N のようにスケーリングされた。
• 測定された反動速度を用いて、QEDに依存しない細密構造定数αの決定が可能となり、最新のCODATA値と整合し、量子電磁力学の厳密な検証が可能になった。
• h/mu比（プランク定数÷ルビジウム原子質量）は、相対不確かさ4 × 10⁻⁹未満で決定され、2015年のSI再定義を支援した。
• Bloch振動が高忠実度のコherent運動量転送メカニズムとして機能でき、従来のビームスプリッターよりも高精度な応用に優れていることが実証された。
• 測定の不確かさは、統計的ノイズではなく、系統的誤差によって支配されており、この方法が根本的な精度限界に近づいていることを示している。