[論文レビュー] Velocity-dependent phase shift in a light-pulse atom interferometer

Léo Morel, Zhibin Yao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、光パルス原子干渉計におけるレーザー強度の変動が、ラマンパルス中に生じる速度依存性の位相シフトを同定し、モデル化している。このシフトは、レーザー強度の非対称な認識によって原子波束がずれることに起因する。著者らは、適切に設計されたレーザー出力ラムプを適用することで、この系の系統的バイアスを実験的に低減し、原子の速度分布への感受性を80%低減した。これにより、$h/m$ 測定や等価原理の検証を含む高精度測定が向上した。

ABSTRACT

Atom interferometry relies on the separation and recombination of atom wavepackets. When the two paths overlap perfectly at the end of the interferometer, the phase is insensitive to the atomic velocity distribution. Here, we show that, when the separation and recombination is performed using a Raman transition there is a displacement of the atomic wavepacket due to a phase shift during light pulses. Because of the variation of the laser intensity seen by the atoms, there is an imperfect cancellation of these displacements. The observation of a velocity-dependent phase shift on the interferometer is the signature of this effect, which has been modeled. Thanks to the signature we have identified, we are able to compensate for this effect by applying laser power ramps during the interferometer to mitigate intensity variations.

研究の動機と目的

• ラマンベースの原子干渉計に生じる、これまで考慮されていなかった速度依存性位相シフトを同定し、モデル化すること。これは、光パルス中の強度変動に起因する波束のずれに起因する。
• 空間的に変化するレーザー強度と原子の横方向速度が組み合わさることで生じる、不完全なキャンセリングによる位相シフトの発生メカニズムを定量化すること。
• 原子干渉計の初期速度分布への感受性を低減するための補償法を考案し、実験的に検証すること。
• 本モデルを他の干渉計幾何構成および精密測定、特に $h/m$ 測定や等価原理の検証に応用可能にするための一般化を図ること。

提案手法

• 時間変化するラビ周波数および微分的光シフトを考慮した、ラーマン遷移における位相シフトの一般式を用いた波束ずれの理論的モデル化。
• ラビ周波数の変化と光シフトの両方を含む位相シフト式（式15）を導出。これにより、速度依存性位相シフトの解析的予測が可能となる。
• 2 cm/s（1/e幅）の熱的クラウド状態の87Rb原子を用いたラマヌ・ボルデ干渉計を用いた実験的実装。横方向速度選別に500 BOsパルスを組み込む。
• 干渉計シーケンス中に原子が認識する平均強度が低下するのを補償するため、線形レーザー出力ラムプ（最初のパルスから最後のパルスへ10%および20%の増加）を適用。
• 平均ドーナー周波数をスキャンし、位相応答をマッピング。速度依存性位相シフトの分散的シグネチャーを観測。
• 速度分布の事前知識なしに出力ラムプをキャリブレーション。これにより、実世界の干渉計システムにおける実用的補償が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称的なパルスシーケンスのもとでも、ラマンベースの原子干渉計に速度依存性位相シフトが生じる理由は何か？
• RQ2 ラマンレーザーの空間的強度プロファイルと原子の横方向速度がどのように組み合わさり、ネット位相シフトを引き起こすか？
• RQ3 波束ずれに起因する位相シフトを解析的にモデル化でき、実験的に検証できるか？
• RQ4 レーザー出力ラムプを用いることで、干渉計の初期速度分布への感受性をどの程度低減できるか？
• RQ5 この効果は、$h/m$ 測定や等価原理の検証といった高精度測定の正確性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 速度依存性位相シフトは、時間変化するレーザー強度を異なる横方向速度で移動する原子が非対称に認識することに起因する、キャンセルされない波束ずれに起因する。
• 理論的モデル化により、ラビ周波数の変化と微分的光シフトの両方を考慮した一般位相シフト式が得られ、実験的観測と一致した。
• 実験的測定では、初期速度関数としての位相シフトが分散的シグネチャーを示し、この効果の存在を確認した。
• 最初のラマンパルスから最後のパルスへ10%の線形出力ラムプを適用することで、干渉計の初期速度分布への感受性が約80%低減した。
• この補償法は、原子速度分布の事前知識なしに機能し、実験的にキャリブレーション可能であるため、実用的な干渉計システムに応用可能である。
• 本手法は、他のラマンベースの干渉計幾何構成へ一般化可能であり、二成分種の等価原理検証や高精度 $h/m$ 測定においても関連性がある。