[论文解读] Multi-pass guided atomic Sagnac interferometer for high-performance rotation sensing

S. Moukouri, Yonathan Japha+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于芯片上玻色-爱因斯坦凝聚体的多通道引导式原子萨尼亚克干涉仪，实现高精度旋转传感。通过减轻导引道粗糙度引起的相干性损失以及原子间相互作用导致的相位扩散，该方案实现了45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²的灵敏度——与自由空间干涉仪相当——同时在灵敏度与尺寸之比方面提升了2–4个数量级，若采用热原子，潜在性能可提升4–6个数量级。

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.

研究动机与目标

• 为克服引导式原子萨尼亚克干涉仪中的基本相干性限制，特别是原子间相互作用引起的相位扩散和导引道粗糙度的影响。
• 通过优化势能设计延长相干时间，实现基于紧凑芯片系统的高灵敏度旋转传感。
• 证明引导式干涉仪在单位尺寸灵敏度方面可与大型自由空间原子陀螺仪相媲美或超越。
• 探索利用热原子实现连续运行的可行性，以进一步提升超越基于玻色-爱因斯坦凝聚体系统的性能。

提出的方法

• 利用原子芯片上的环形势阱引导玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）在闭合回路中实现萨尼亚克干涉测量。
• 采用时间平均绝热势（TAAP）或静态磁场构建平滑、低粗糙度的导引道，以最小化去相位效应。
• 应用时变托马斯-费米近似建模并减轻横向约束和原子间相互作用引起的相位扩散。
• 实施高动量分束器（最高达~60ℏk），实现绕环多次通过，增强信号累积。
• 同时考虑BEC和热原子配置，后者可实现连续运行，仅受背景气体散射限制。
• 采用灵敏度×长度的性能指标评估灵敏度，有利于紧凑且高性能的设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 引导式原子萨尼亚克干涉仪中的主要去相机制是什么？能否通过抑制这些机制实现长相干时间？
• RQ2 受限环形导引道中原子间相互作用如何影响相位扩散？能否通过时变势形貌设计建模并降低该效应？
• RQ3 尽管原子通量较低，多通道引导式干涉仪是否仍能实现与自由空间原子陀螺仪相当的灵敏度？
• RQ4 在连续运行方案中，使用热原子而非BEC可带来多大性能提升？
• RQ5 微型化、芯片集成的引导式干涉仪在单位尺寸灵敏度方面，相较于现有大型自由空间或环形激光陀螺仪，能实现多大程度的性能超越？

主要发现

• 所提出的多通道引导式萨尼亚克干涉仪在芯片上使用BEC实现了45 nrad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²的灵敏度，与最先进的自由空间干涉仪相当。
• 对于半径为50 mm的导引道，动量转移达~60ℏk，系统在10 s内可实现5 prad s⁻¹的灵敏度——超过五层楼高的环形激光陀螺仪（120 s后为10 prad s⁻¹）。
• 采用通量为10⁷ s⁻¹的热原子并完成1000圈运行，灵敏度可达1 prad s⁻¹ Hz⁻¹ ⁄²，相较于当前热束陀螺仪提升了4–6个数量级。
• 灵敏度与尺寸之比的性能指标显示，相较于基于BEC的先进自由空间陀螺仪，提升了2–4个数量级；而采用热原子时，提升幅度达4–6个数量级。
• 在时变托马斯-费米模型中，当引入横向动能时，原子间相互作用引起的相位扩散显著降低，表明通过更精细的建模可进一步提升性能。
• 通过时间平均势或静态磁场实现的平滑、低粗糙度导引道可有效抑制去相位效应，实现长相干时间，从而支持多通道运行。