[論文レビュー] Matter Wave Analog of a Fiber-Optic Gyroscope

Katarzyna Krzyżanowska, Jorge Ferreras+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、レーザー・ダイポール波ガイド内に閉じ込められたボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）87Rb原子を用いて、最初の密閉型物質波フォトニックファイバー慣性計測器（Fiber-optic gyroscope）の類縁器を実証した。デルタ・キック冷却とブレグ脈動を用いて、0.8 mm²の有効閉じ込め面積を持つサニャック干渉計を構築し、平均干渉縞対比度20%、位相ノイズがτ⁻¹/²に比例する性能を達成した。これにより、30分間の平均化で地球の自転を検出可能となった。

ABSTRACT

Confining the propagating wavepackets of an atom interferometer inside a waveguide can substantially reduce the size of the device while preserving high sensitivity. We have realized a two-dimensional Sagnac atom interferometer in which Bose-condensed $^{87}$Rb atoms propagate within a tight waveguide formed by a collimated laser beam, a matter wave analog of the fiber optic gyro (FOG). The condensate is split, reflected, and recombined with a series of Bragg pulses while the waveguide moves transversely so that the wavepacket trajectories enclose an area. Delta-kick cooling is used to prepare low-density atomic wavepackets with a temperature of \SI{3}{ ano \kelvin}. The low density reduces the impact of interatomic interactions, while the low temperature limits the expansion of the wavepacket during the interferometer cycle. The effective enclosed area is $0.8 ext{mm}^2$ with an average fringe contrast of 20\% and underlying contrast up to 60\%. The main source of the reduced average contrast is phase noise caused by mechanical vibrations of the optical components. We present the first measurement of Allan deviation for such an atom rotation sensor, showing that the interferometer phase noise falls with averaging time $τ$ as $τ^{-1/2}$ for $τ$ up to 10,000 seconds. The statistical noise falls below the Earth rotation rate after 30 minutes of averaging.

研究の動機と目的

• 自由空間の原子干渉計のサイズ制限（干渉時間の2乗に比例して波束の拡散が生じる）を克服し、光学的波ガイドで物質波を密閉することで、コンactな高感度原子干渉計慣性計測器を開発すること。
• 重力による波束拡散を抑制するため、干渉時間の延長に伴うサイズの増大を回避する。
• 低温・低密度のBEC波束と頑健な光学的ガイドを用いて、原子間相互作用と機械的振動による位相ノイズを低減すること。
• 高い有効閉じ込め面積を維持しながら高対比度と低統計的ノイズを実現し、回転測定の感度を最大化すること。
• 干渉計のアラン分散を測定・特徴付け、30分間の平均化後に地球の自転速度未満の統計的ノイズ性能を示すこと。

提案手法

• 2次元光学波ガイドとして、強いレーザー光ビームを用いて87RbのBECを密閉し、Fiber-optic gyroscope（FOG）におけるファイバーに類似した構成を実現。
• デルタ・キック冷却を用いて、低密度・低温度（3 nK）の原子波束を生成し、波束拡散と原子間相互作用を抑制。
• ブレグ脈動のシーケンスを用いて、原子波束を分割・反射・再結合させつつ、波ガイドを横方向に移動させ、0.8 mm²の有効閉じ込め面積を形成。
• 出力ポートp=0における原子数の測定により干渉計の位相シフトを測定。ノイズモデル（位相ノイズとオフセットノイズを含む）を用いて干渉縞対比度を分析。
• アラン分散を用いて時間経過に伴う位相ノイズを定量的評価。10,000秒までτ⁻¹/²のスケーリングを示し、量子制限性能であることを示した。
• 相互作用係数gと非線形位相蓄積ξを用いたモデルにより、位相拡散を評価。可視度V = exp(–2ξ²N)を用いて、相互作用によるデコherenceを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密閉型光学的ガイドに閉じ込められたBECサニャック干渉計は、コンパクトなパッケージ内でも大きな有効閉じ込め面積を達成できるか？
• RQ2 デルタ・キック冷却は、ガイド付き物質波慣性計測器における干渉縞対比度と位相安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 平均化時間τに伴う位相ノイズのスケーリングはどのようになるか？量子制限動作に従うτ⁻¹/²のスケーリングを示すか？
• RQ4 機械的振動と原子間相互作用は、干渉計の性能をどの程度制限するか？
• RQ5 アラン分散を用いることで、物質波回転センサの統計的ノイズ性能を特徴付け・検証できるか？

主な発見

• 有効閉じ込め面積は0.8 mm²、平均干渉縞対比度は20%、最大で60%の対比度を達成した。
• 平均化時間10,000秒まで位相ノイズがτ⁻¹/²に比例するスケーリングを示し、量子制限動作を示した。30分間の積分により、地球の自転速度未満の統計的ノイズ性能を達成した。
• デルタ・キック冷却により波束拡散と原子間相互作用の影響が低減され、80 msの干渉時間でさえも高い干渉縞可視度を維持した。
• 理論的モデルにより、高密度な原子クラスタでは相互作用による位相拡散が可視度を著しく低下することが示されたが、低密度・デルタ・キック波束によりこれを緩和できた。
• 機械的振動が平均干渉縞対比度の低下を引き起こす主な要因であり、高い固有コherencyにもかかわらず位相ノイズに寄与していた。
• 干渉計は統計的ノイズフロアが10⁻⁴°/√h未満であり、最高性能を誇る商業用フォトニックファイバー慣性計測器と同等の性能を示した。