[논문 리뷰] Differential atom interferometry with $^{87}$Rb and $^{85}$Rb for testing the UFF in STE-QUEST

Christian Schubert, Jonas T. Hartwig외 19명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 3인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 우주 임무인 STE-QUEST에서 자유 낙하의 보편성(UFF)을 10^15당 2부분의 민감도로 검증하기 위한 双종류 87Rb/85Rb 원자 간섭계 기법을 제시한다. 마이크로중력 조건에서 대칭적인 라만 비틀기 분할기를 사용함으로써, 공통 모드 제거를 통해 환경 노이즈를 억제하고 선형 가속도 및 진동에 대해 2.5×10^−9의 억제 비율을 달성하여 5초 간의 자유 진동 시간 동안 고정밀 차등 가속도 측정이 가능하다.

ABSTRACT

In this paper we discuss in detail an experimental scheme to test the universality of free fall (UFF) with a differential $^{87}$Rb / $^{85}$Rb atom interferometer applicable for extended free fall of several seconds in the frame of the STE-QUEST mission. This analysis focuses on suppression of noise and error sources which would limit the accuracy of a violation measurement. We show that the choice of atomic species and the correctly matched parameters of the interferometer sequence are of utmost importance to suppress leading order phase shifts. In conclusion we will show the expected performance of $2$ parts in $10^{15}$ of such an interferometer for a test of the UFF.

연구 동기 및 목표

• 우주에서 자유 낙하의 보편성(UFF)을 검증하기 위해 87Rb 및 85Rb 동위원소를 사용한 고정밀 차등 원자 간섭계를 개발한다.
• 두 개의 유사한 원자 종을 사용하여 공통 모드 제거를 통해 진동 및 가속도와 같은 환경 노이즈를 억제한다.
• 에드베르스 비율에 대해 10^15당 2부분의 목표 민감도를 확보하여 현재 지상 기반 한계를 초월한다.
• 우주 기반 마이크로중력 환경에서 자기장 기울기, 파면 곡률, 임의의 가속도 등 주요 위상 오차를 평가하고 보완한다.
• STE-QUEST 임무의 원자 간섭계 페이로드를 위한 견고한 오차 예산 및 성능 모델을 수립한다.

제안 방법

• 실험은 마흐-지엔더 기하학을 사용하며, 87Rb와 85Rb의 물질파를 동시에 일관되게 분할하고 재결합시키기 위해 대칭적인 라만 비틀기 분할기를 적용한다.
• STE-QUEST 궤도의 마이크로중력 조건 덕분에 5초의 자유 진동 시간이 가능하여 UFF 민감도를 극대화한다.
• 두 종의 전개 속도가 82 µm/s로 정밀하게 일치되어 파면 곡률에 기인한 위상 편향을 최소화한다.
• 공통 모드 제거를 위해 같은 반사된 빛 필드를 공유함으로써 진동 및 선형 가속도를 2.5×10^−9의 억제 비율로 억제한다.
• 잔여 자기장 기울기 효과를 상쇄하기 위해 내부 상태 준비 방식을 반전시킨다.
• 임의의 가속도, 중력 기울기, 비틀기 분할기의 정확도 부족과 같은 체계적 오차를 평가하였으며, 목표 민감도와 호환됨을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 87Rb와 85Rb를 사용한 차등 원자 간섭계는 어떻게 환경 노이즈를 억제하여 우주에서 10^−15 이하 수준의 UFF 검증을 가능하게 하는가?
• RQ2 이중 종 간섭계에서 지배적인 체계적 위상 이완은 무엇이며, 마이크로중력 환경에서 어떻게 보완할 수 있는가?
• RQ3 동일 원소의 두 동위원소를 사용하여 진동 및 가속도의 공통 모드 제거는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 파면 곡률, 자기장 기울기, 비틀기 분할기의 결함은 차등 위상에 어떤 영향을 미치며, 어떤 보정 조치가 필요한가?
• RQ5 임무의 궤도 및 페이로드 제약 조건을 고려할 때, STE-QUEST 원자 간섭계의 에드베르스 비율에 대한 도달 가능한 민감도는 얼마인가?

주요 결과

• 공통 모드 제거 덕분에 이중 종 87Rb/85Rb 간섭계는 선형 가속도 및 진동에 대해 2.5×10^−9의 억제 비율을 달성한다.
• 간섭계 설계는 마이크로중력 조건에서 5초의 자유 진동 시간을 가능하게 하여 UFF 검증을 위한 위상 민감도를 극대화한다.
• 두 종의 전개 속도가 82 µm/s로 일치되어 파면 곡률에 기인한 위상 편향을 상쇄한다.
• 에드베르스 비율에 대한 추정 민감도는 1회 전환당 5.3×10^−14 이하이며, 1.5년간의 운영 후 통합 민감도가 2×10^−15 이하로 향상된다.
• 임의의 가속도, 자기장 기울기, 비틀기 분할기 정확도 부족 등의 체계적 오차는 목표 정확도 2×10^−15와 호환됨을 추정하였다.
• 오차 예산 분석 결과, 모든 주요 노이즈 원천이 허용 가능한 범위 내에 있으며, 시스템은 샷 노이즈 제한 상태로 설계되어 있으며, 20초 주기당 3×10^−12 m/s²의 차등 가속도 민감도를 확보한다.