[論文レビュー] One second interrogation time in a 200 round-trip waveguide atom interferometer

Hyosub Kim, Katarzyna Krzyżanowska+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、波ガイド内の超低温39K原子を用いた200往復波ガイド原子干渉計を提案する。Feshbach共鳴を用いてs波散乱長をほぼゼロにチューニングすることで、衝突損失を抑制する。高効率（99.4%）のブラッグ効果パルスとダイナミックデカップリングを用いることで、振動隔離なしで記録的な0.9秒の測定時間に到達し、原子感受性度およびSagnac回転センシングの高感度測定を可能にする。

ABSTRACT

We report a multiple-loop guided atom interferometer in which the atoms make 200 small-amplitude roundtrips, instead of one large single orbit. The approach is enabled by using ultracold 39K gas and a magnetic Feshbach resonance that can tune the s-wave scattering length across zero to significantly reduce the atom loss from cold collisions. This scheme is resilient against noisy environments, achieving 0.9 s interrogation time without any vibration noise isolation or cancellation. A form of quantum lock-in amplification can be used with the device to measure localized potentials with high sensitivity. We used this technique to measure the dynamic polarizability of the 39K ground state at 1064 nm. The interferometer may also be a useful approach to building a compact multiple-loop Sagnac atom interferometer for rotation sensing.

研究の動機と目的

• ポータブルな慣性センシング用途に適したコンactな高感度原子干渉計の開発を目的とする。
• 波ガイドの曲率と位相ノイズのため、波ガイド型干渉計の測定時間が短いという制限を克服することを目的とする。
• Feshbach共鳴を用いてs波散乱長をほぼゼロにチューニングすることで、原子間衝突によるデコherenceを抑制することを目的とする。
• 1つの大きな軌道ではなく、複数の短い往復を用いることで、ガイドされた幾何学的形状で長時間の測定を可能にすることを目的とする。
• 高効率ブラッグパルスによるダイナミックデカップリングを通じて、環境ノイズへのレジリエンスを実証することを目的とする。

提案手法

• 1064 nmの緩やかに焦点を合わせたレーザー光ビームとヘルムホルツコイルからの磁場ポテンシャルを用いて、1次元の波ガイドを形成し、超低温39K原子を閉じ込める。
• Feshbach共鳴を用いてs波散乱長をほぼゼロにチューニングし、複数回の往復中に衝突損失を最小限に抑える。
• 波ガイドと同一方向に配置された766 nmのブラッグ効果パルスを用い、99.4%の効率で原子波束を効率的に分割・再結合させる。
• 400回の反射（200往復）を含む複数ループ方式を採用し、干渉計の対比を保ちつつ、有効測定時間を延長する。
• 波ガイド強度を周波数Fで変調することで、量子ロックイン増幅を実装し、位相同期検出とノイズ抑制を実現する。
• 奇数パリティ位相平均化を用いて、系のシステム的位相ドリフトをキャンセルし、長期安定性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波ガイドの曲率と環境ノイズの影響を受けても、複数ループのガイド型原子干渉計が1秒を超える測定時間を達成できるか？
• RQ2 Feshbach共鳴チューニングによって、高密度で複数ループの干渉計における衝突損失はどの程度低減できるか？
• RQ3 高効率ブラッグ効果（99.4%）は、コンact干渉計におけるダイナミックデカップリングとノイズ耐性をどの程度向上させるか？
• RQ4 量子ロックイン増幅は、弱いポテンシャルへの感度向上を実現するために、ガイド型原子干渉計に実装可能か？
• RQ5 対比と位相安定性を維持した状態で、波ガイド干渉計の最大使用可能測定時間はどの程度か？

主な発見

• 振動隔離なしで安定した0.9秒の測定時間が達成され、環境ノイズへのレジリエンスが実証された。
• 200往復（400反射）にわたり高い縞対比を維持し、ミラー・パルス効率が99.4%であった。
• s波散乱長がほぼゼロにチューニングされ、衝突損失が低減し、長時間測定が可能になった。
• 高効率ブラッグパルスによるダイナミックデカップリング効果が、技術的位相ノイズを抑制し、ノイズの多い環境下での運用を可能にした。
• 量子ロックイン増幅により、波ガイド強度を変調し、奇数パリティ位相平均化を適用することで、最大20 dBの信号増幅が達成された。
• 干渉計位相のアラン分散が奇数パリティ操作によって低減され、長期安定性が向上し、システム的ドリフトが抑制された。