[논문 리뷰] Atom interferometry and its applications

Sven Abend, Matthias Gersemann외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 냉각 원자와 보즈아인슈타인 응집물(Bose-Einstein condensates)을 이용한 원자 간섭계를 제시하여 기본 물리학과 미세측정 분야에서 고정밀 측정을 가능하게 한다. 원자 간섭계는 등가 원리의 검증, 양자 기울기계로의 기능, 중력계로서의 기능을 수행하며, 원자 드 에브로그리 파의 위상 제어를 통해 높은 민감도를 달성한다.

ABSTRACT

We provide an introduction into the field of atom optics and review our work on interferometry with cold atoms, and in particular with Bose-Einstein condensates. Here we emphasize applications of atom interferometry with sources of this kind. We discuss tests of the equivalence principle, a quantum tiltmeter, and a gravimeter.

연구 동기 및 목표

• 냉각 원자와 보즈아인슈타인 응집물을 이용한 원자 간섭계 기법을 개발하고 고정밀 측정에 응용한다.
• 일관된 원자 파acket을 이용해 양자 수준에서 등가 원리를 검증한다.
• 원자 간섭계의 위상 이동을 기반으로 한 양자 기울기계와 중력계를 설계하고 구현한다.
• 초냉각 원자 시스템의 간섭성과 민감도를 활용하여 양자 미세측정을 발전시킨다.

제안 방법

• 간섭계 설정에서 간섭성 있는 물질파 원천으로 레이저 냉각 원자와 보즈아인슈타인 응집물을 사용한다.
• 람프 또는 브라그 전이를 이용해 원자 파acket을 일관되게 분리, 조작, 재결합한다.
• 관성 또는 중력장에 의해 유도된 원자 파동함수의 위상 이동을 측정한다.
• 가속도, 중력 또는 회전에 대한 정보를 추출하기 위해 위상 민감도 측정 기법을 적용한다.
• 외부 장 측정을 위한 읽기 출력으로 간섭계 경로 간 위상 차이를 사용한다.
• 기본기반의 주기적 위치에서 물질파의 슈뢰딩거 방정식을 사용해 간섭계 반응을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보즈아인슈타인 응집물을 이용한 원자 간섭계로 등가 원리를 더 높은 민감도로 검증할 수 있는가?
• RQ2 원자 간섭계는 중력 기울기의 미세한 기울임을 측정하는 데 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ3 초냉각 원자를 이용한 물질파 간섭계 기반 중력계의 도달 가능한 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 보즈아인슈타인 응집물의 양자 간섭성과 위상 안정성이 열 원자 비임에 비해 측정 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 약한 중력장을 감지하는 데 있어 원자 간섭계의 기본 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 보즈아인슈타인 응집물을 이용한 물질파 간섭계를 통해 등가 원리의 고정밀 검증을 수행한다.
• 중력 기울기의 영향을 받는 원자 간섭계에서의 위상 이동 차이를 측정함으로써 양자 기울기계를 실현한다.
• 드 에브로그리 파의 일관된 조작을 통해 원자 간섭계 기반 중력계가 나노갈 이하의 해상도를 달성한다.
• 보즈아인슈타인 응집물의 사용은 간섭 측정에서 위상 안정성과 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
• 원자 파동함수의 긴 간섭 시간 덕분에 미세한 관성력 및 중력 외란을 감지할 수 있다.
• 이론적 및 실험적 결과는 냉각 원자를 이용한 차세대 양자 센서가 지구물리학 및 기본 물리학 분야에서 실현 가능하다는 것을 확인한다.