[논문 리뷰] Multi-pass guided atomic Sagnac interferometer for high-performance rotation sensing

S. Moukouri, Yonathan Japha외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 44인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반도체 칩 위의 보즈아인스타인 응집체를 사용하여 고정밀 회전 측정을 달성하기 위해 다중 통과 지도형 원자 사이나크 간섭계를 제안한다. 가이드 표면의 불규칙성과 원자 간 상호작용으로 인한 위상 확산으로 인한 위상 보존 손실을 완화함으로써, 자유공간 간섭계 수준의 감도인 45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²를 달성한다. 이와 동시에 크기 대비 감도 비율에서 2–4배 향상되며, 열원자 사용 시에는 4–6배 향상된 성능이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지역화된 원자 사이나크 간섭계에서 발생하는 기본적인 위상 보존 한계, 특히 원자 간 상호작용으로 인한 위상 확산과 가이드 표면의 불규칙성으로 인한 위상 분산를 해결하기 위해.
• 최적화된 잠재력 설계를 통해 위상 수명을 연장함으로써, 소형 칩 기반 시스템에서 고감도 회전 측정을 가능하게 하기 위해.
• 지역화된 간섭계가 대규모 자유공간 원자 자이로스코프의 단위 크기 당 감도를 따라하거나 능가할 수 있음을 보여주기 위해.
• 지속적인 운영이 가능한 열원자를 사용하여 BEC 기반 시스템을 초월한 감도 향상을 가능하게 할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 원형 잠재력 장치를 이용해 반도체 칩 위에서 보즈아인스타인 응집체(BEC)를 고리형 경로로 유도하여 사이나크 간섭계를 구현한다.
• 시간 평균 애디아바틱 잠재력(TAAP) 또는 정적 자기장을 활용해 부드럽고 불규칙성이 낮은 가이드를 형성함으로써 위상 분산를 최소화한다.
• 시간에 따라 변화하는 토머스-페르미 근사법을 적용하여 횡방향 구속과 원자 간 상호작용으로 인한 위상 확산를 모델링하고 완화한다.
• 고운동량 분할기(최대 약 ~60ℏk)를 도입하여 고리 주위를 다중 통과하게 하여 신호 누적 효과를 극대화한다.
• BEC 및 열원자 구성을 모두 고려하며, 후자는 배경 기체의 산란에 의해만 제한되는 연속 운영이 가능하다.
• 감도 평가 시 감도 × 길이의 성능 지표를 사용하여 소형 고성능 설계를 선호한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역화된 원자 사이나크 간섭계에서 지배적인 위상 분산 메커니즘은 무엇이며, 이를 통해 장수명 위상 보존을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제한된 고리형 가이드 내에서 원자 간 상호작용은 위상 확산에 어떤 영향을 미치며, 시간에 따라 변화하는 잠재력 형상화를 통해 이를 모델링하고 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 낮은 원자 유량에도 불구하고 다중 통과 지도형 간섭계가 자유공간 원자 자이로스코프의 감도에 맞추어질 수 있는가?
• RQ4 지속적인 운영 방식에서 BEC 대신 열원자를 사용할 경우 성능 향상의 폭은 어느 정도일 수 있는가?
• RQ5 소형 칩 기반의 지도형 간섭계가 기존의 대규모 자유공간 또는 고리형 레이저 자이로스코프 대비 단위 크기 당 감도에서 얼마나 뛰어난 성능을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 다중 통과 지도형 사이나크 간섭계는 반도체 칩 위의 BEC를 사용하여 45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²의 감도를 달성하며, 최신 자유공간 간섭계와 동등한 성능을 보인다.
• 약 50 mm 반경의 가이드에서 약 ~60ℏk 운동량 이전을 적용할 경우, 10 초 후 감도가 5 prad s⁻¹에 도달하며, 다섯 층 높이의 빌딩 규모의 고리형 레이저 자이로스코프(120초 후 10 prad s⁻¹)를 초월한다.
• 10⁷ s⁻¹의 원자 유량과 1000회 통과 조건에서 열원자를 사용할 경우 감도는 1 prad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²에 도달하며, 현재의 열원자 기반 자이로스코프 대비 4–6배 향상된 성능을 보인다.
• 크기 대비 감도 지표는 BEC 기반 자유공간 자이로스코프 대비 2–4배 향상되었으며, 열원자를 사용할 경우 4–6배 향상된 성능을 기록한다.
• 시간에 따라 변화하는 토머스-페르미 모델에서 횡방향 운동 에너지를 포함함으로써 원자 간 상호작용으로 인한 위상 확산가 크게 감소하며, 보다 정교한 모델링을 통해 추가 성능 향상이 가능하다는 점을 시사한다.
• 시간 평균 잠재력 또는 정적 자기장을 통해 구현 가능한 매끄럽고 불규칙성이 낮은 가이드 구조는 위상 분산를 억제하고, 다중 통과 운영에 필수적인 장수명 위상 보존을 가능하게 한다.