[論文レビュー] Mobile and remote inertial sensing with atom interferometers

B. Barrett, Pierre-Alain Gominet+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 8被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、冷却された39K原子を用いたコンパクトで携帯可能な原子干渉計を用いて、モバイルかつ遠隔での慣性測定を実証し、弱い等価原理の高精度な検証を目的としたルビジウムとカリウムの二種類の原子を用いた干渉計への重要な一歩を達成した。本研究は、地球物理学的応用、重力波検出、宇宙空間を想定した基礎物理学実験に向けた現場応用可能な原子干渉計技術の進展を強調している。

ABSTRACT

The past three decades have shown dramatic progress in the ability to manipulate and coherently control the motion of atoms. This exquisite control offers the prospect of a new generation of inertial sensors with unprecedented sensitivity and accuracy, which will be important for both fundamental and applied science. In this article, we review some of our recent results regarding the application of atom interferometry to inertial measurements using compact, mobile sensors. This includes some of the first interferometer measurements with cold $^{39}$K atoms, which is a major step toward achieving a transportable, dual-species interferometer with rubidium and potassium for equivalence principle tests. We also discuss future applications of this technology, such as remote sensing of geophysical effects, gravitational wave detection, and precise tests of the weak equivalence principle in Space.

研究の動機と目的

• 研究室外環境において、現場応用可能な慣性センシングを実現するためのコンパクトでモバイルな原子干渉計の開発。
• 原子干渉計を用いて、重力勾配や地球物理的信号といった慣性力の遠隔測定を可能にする。
• 高精度な弱い等価原理の検証を実現するため、87Rbと39Kの二種類の原子を用いた干渉計技術の実現に向けた前進。
• 重力波の検出や基礎物理学の検証を目的とした、宇宙空間応用の原子干渉計の可能性を検討する。
• 微小重力環境を活用することで、地上のシステムにおける技術的課題を克服し、測定時間の延長と系統誤差の低減を実現する。

提案手法

• 100 nK未満の超低温39K原子を生成するために、レーザー冷却と磁気トラップを用いる。
• 励起ラマン遷移を用いて物質波をコherentに分裂・再結合させ、マハー・ツェンダー型の原子干渉計を形成する。
• ノイズや環境的摂動の影響下での位相差を定量化するために、感度関数形式を適用する。
• 複数の原子種を微小重力下で光学ダイポールトラップで閉じ込めるために、コンパクトな真空系を実装する。
• 地上システムにおける原子とリトロ反射ミラー間の相対運動を補償するために、位相連続的な線形周波数チープを用いる。
• 自由落下動作を採用することで、打ち上げによる歪みなしに1〜5秒の測定時間を達成できるように設計された、宇宙空間用ミッション（例：STE-QUEST、Q-WEP）を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 39K原子を用いたコンパクトでモバイルな原子干渉計は、現場環境下でも安定的かつ高 visibility の干渉計測定を達成できるか？
• RQ2 87Rbと39Kを用いた二種類の原子干渉計は、弱い等価原理の高精度な検証を実現するためにどのように実現できるか？
• RQ3 研究室外での遠隔慣性センシングを実現するにあたり、どのような技術的および環境的課題が生じるか？
• RQ4 宇宙空間における微小重力環境は、地上システムと比較して原子干渉計の性能をどのように向上させるか？
• RQ5 モバイルかつ遠隔の原子干渉計は、地球物理的信号および重力波をどの程度検出可能か？

主な発見

• 超低温39K原子を用いた原子干渉計測定が初めて成功した。これは、二種類の原子を用いた干渉計への重要な一歩を示している。
• モバイルな原子干渉計は、現場応用において高い感度を示し、重力勾配や地球物理的異常の遠隔検出を可能にした。
• STE-QUEST や Q-WEP のような宇宙空間用の原子干渉計は、1回の測定で約3×10⁻¹² m/s²、長期的には約10⁻¹⁵ m/s² の感度を達成することが予測されている。
• 微小重力環境では、原子を打ち上げる必要がなく、系統誤差が低減され、安定的で長時間の自由落下測定（1〜5秒）が可能になる。
• 微小重力下では、両方の原子種が1つの光学ダイポールトラップに同時に局在化でき、重力による下がりの影響がないため、安定性と測定精度が向上する。
• 微小重力環境では、原子とリトロ反射ミラー間の相対運動が存在しないため、位相連続的な周波数チープの必要がなくなり、装置が簡素化され、ノイズも低減される。