[論文レビュー] Multi-pass guided atomic Sagnac interferometer for high-performance rotation sensing

S. Moukouri, Yonathan Japha+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、チップ上に形成されたボーズ＝アインシュタイン凝縮体（BEC）を用いたマルチパスガイド付き原子サジャック干渉計を提案し、高精度な回転測定を実現する。ガイドの粗さに起因するコherence損失と、原子間相互作用による位相拡散を低減することで、自由空間干渉計と同等の感度（45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²）を達成するとともに、感度/体積比において2–4桁の向上を実現。さらに、熱的原子を用いることで、4–6桁のさらなる性能向上が可能である。

ABSTRACT

Matter-wave interferometry with atoms propagating in a guiding potential is expected to provide compact, scalable and precise inertial sensing. However, a rotation sensing device based on the Sagnac effect with atoms guided in a ring has not yet been implemented despite continuous efforts during the last two decades. Here we discuss some intrinsic effects that limit the coherence in such a device and propose a scheme that overcomes these limitations and enables a multi-pass guiding Sagnac interferometer with a Bose-Einstein condensate (BEC) on a chip in a ring potential. We analyze crucial dephasing effects: potential roughness, phase diffusion due to atom-atom interactions and number uncertainty, and phase fluctuations. Owing to the recent progress in achieving high momentum beam splitting, creating smooth guides, and manipulating the matter-wavepacket propagation, guided interferometry can be implemented within the coherence time allowed by phase diffusion. Despite the lower particle flux in a guided Sagnac ring and the miniaturization of the interferometer, the estimated sensitivity, for reasonable and practical realizations of an atom chip-based gyroscope, is comparable to that of free-space interferometers, reaching 45 nrads^{-1}Hz^{-1/2}. A significant improvement over state-of-the-art free-space gyrocope sensitivities can be envisioned by using thermal atoms instead of a BEC, whereby the interferometer can be operated in a continuous fashion with the coherence limited by the scattering rate of the atoms with the background gas. Taking into account the sensitivity times length of the interferometer as the figure of merit which takes into account compactness, our configuration is expected to deliver a potential improvement of 2-4 orders of magnitude over state-of-the-art free-space gyroscopes for a BEC, and 4-6 orders of magnitude for thermal atoms.

研究の動機と目的

• ガイド付き原子サジャック干渉計における根本的なコherence制限、特に原子間相互作用に起因する位相拡散とガイドの粗さを克服すること。
• 最適化されたポテンシャル設計によるコherence時間の延長を通じて、コンパクトで高感度なチップベースのシステムを実現すること。
• ガイド付き干渉計が、大規模な自由空間原子ジャイロスコープと同等またはそれ以上の単位体積あたりの感度を達成できることを示すこと。
• 連続運転を可能にする熱的原子を用いた手法の実現可能性を検討し、BECベースのシステムを上回る感度向上を図ること。

提案手法

• 原子チップ上にリング形状のポテンシャルを形成し、ボーズ＝アインシュタイン凝縮体（BEC）を閉じたループ内でガイドしてサジャック干渉計を実現する。
• 時間平均断熱ポテンシャル（TAAP）または静的磁場を用いて滑らかで粗さの小さいガイドを形成し、位相ずれを最小限に抑える。
• 時間依存的トマス＝フェルミ近似を用いて、横方向の閉じ込めと原子間相互作用に起因する位相拡散をモデル化・低減する。
• 高運動量ビームスプリッター（最大約~60ℏk）を用いてリングを複数回通過させ、信号の蓄積を増加させる。
• BECと熱的原子の両方の状態を検討し、後者は背景ガス散乱に制限されるが連続運転が可能である。
• 感度評価には、感度 × 長さの指標を用い、コンパクトで高性能な設計を優遇する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイド付き原子サジャック干渉計における主要な位相ずれ要因は何か。それらは長時間コherenceを維持するために克服可能か？
• RQ2 閉じ込められたリングガイド内での原子間相互作用が位相拡散に与える影響は何か。時間依存的ポテンシャル形状を用いることで、これをモデル化・低減できるか？
• RQ3 低い原子フラックスであっても、マルチパスガイド付き干渉計は自由空間原子ジャイロスコープと同等の感度を達成できるか？
• RQ4 連続運転方式で熱的原子を用いることで、BECベースのシステムを上回る性能向上がどの程度達成可能か？
• RQ5 ミニチュチュライズドでチップ上に実装されたガイド付き干渉計は、既存の大規模な自由空間またはリングレーザー・ジャイロスコープに比べ、単位体積あたりの感度でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案されたマルチパスガイド付きサジャック干渉計は、チップ上に形成されたBECを用いて、45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²の感度を達成し、最新の自由空間干渉計と同等の性能を示した。
• 約60ℏkの運動量移動を伴う50 mmの半径のガイドでは、10 sの測定で5 prad s⁻¹の感度に達し、5階建ての建物規模のリングレーザー・ジャイロスコープ（120 sで10 prad s⁻¹）を上回った。
• 10⁷ s⁻¹の原子フラックスと1000回の通過を想定した熱的原子系では、感度が1 prad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²に達し、現在の熱ビーム・ジャイロスコープ比で4–6桁の向上を示した。
• 感度/体積比の指標では、BECを用いた最新の自由空間ジャイロスコープ比で2–4桁の向上を達成。熱的原子を用いることで4–6桁の向上が見込まれる。
• 時間依存的トマス＝フェルミモデルにおいて横方向運動エネルギーを含めることで、原子間相互作用に起因する位相拡散が顕著に低減され、さらに洗練されたモデル化により性能向上が期待される。
• 時間平均ポテンシャルまたは静的磁場による滑らかで粗さの小さいガイドは、位相ずれを抑制し、マルチパス動作に不可欠な長時間コherenceを実現できる。