[논문 리뷰] One second interrogation time in a 200 round-trip waveguide atom interferometer

Hyosub Kim, Katarzyna Krzyżanowska외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 초저온 39K 원자를 1D 디폴드 트랩에 포획하고, Feshbach 공명을 통해 s-파면 산란 길이를 거의 0으로 조절하여 충돌 손실을 억제하는 200회 왕복 파이프형 원자 간섭계를 제시한다. 고효율(99.4%)의 브라그 회절 펄스와 동적 분리 기법을 적용하여, 진동 차단 없이도 기록적인 0.9초 간섭 시간을 달성하였으며, 이는 원자 분극율 측정에 대한 고감도 측정과 잠재적 사나크 회전 센싱에 기여한다.

ABSTRACT

We report a multiple-loop guided atom interferometer in which the atoms make 200 small-amplitude roundtrips, instead of one large single orbit. The approach is enabled by using ultracold 39K gas and a magnetic Feshbach resonance that can tune the s-wave scattering length across zero to significantly reduce the atom loss from cold collisions. This scheme is resilient against noisy environments, achieving 0.9 s interrogation time without any vibration noise isolation or cancellation. A form of quantum lock-in amplification can be used with the device to measure localized potentials with high sensitivity. We used this technique to measure the dynamic polarizability of the 39K ground state at 1064 nm. The interferometer may also be a useful approach to building a compact multiple-loop Sagnac atom interferometer for rotation sensing.

연구 동기 및 목표

• 이동 가능한 관성 센싱 응용 분야에 적합한 소형 고감도 원자 간섭계를 개발하기 위해.
• 파이프형 간섭계에서 파이프 곡률과 위상 노이즈로 인한 짧은 간섭 시간의 한계를 극복하기 위해.
• Feshbach 공명을 이용해 s-파면 산란 길이를 거의 0으로 조절하여 원자-원자 충돌로 인한 비호환성 손실을 억제하기 위해.
• 단일 큰 궤도가 아닌 다수의 짧은 왕복을 통해 유도된 기하학에서 장시간 간섭 시간을 확보하기 위해.
• 고효율 브라그 펄스를 통한 동적 분리 기법을 통해 환경 노이즈에 대한 내성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 1064 nm 레이저 빔을 약간 집중시켜 형성한 1D 파이프와 헬름홀츠 코ils에서 유도된 자기 퍼텐셜을 이용해 초저온 39K 원자를 구속한다.
• Feshbach 공명을 활용해 s-파면 산란 길이를 거의 0으로 조절하여, 다수의 왕복 동안 충돌 손실을 최소화한다.
• 파이프와 축을 일치시키는 766 nm 브라그 회절 펄스를 사용하여 원자 웨이브패킷을 고조화적으로 분할하고 재결합시키며, 효율이 99.4%에 이른다.
• 200회 왕복(400번의 반사)을 포함한 다중 루프 구조를 도입하여 간섭 시간을 연장하면서도 간섭계의 대trast를 유지한다.
• 파형 강도를 주파수 F에서 변조함으로써 양자 락인 증폭을 구현하고, 위상 동기 검출 및 노이즈 억제를 가능하게 한다.
• 홀수 페러티 위상 평균화를 적용하여 체계적 위상 드리프트를 제거하고 장기적 안정성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이프 곡률과 환경 노이즈가 존재하는 상황에서도 다중 루프 유도 원자 간섭계가 1초 이상의 간섭 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 Feshbach 공명 조절을 통해 고밀도 및 다중 루프 간섭계에서 충돌 손실을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 고효율 브라그 회절(99.4%)이 소형 간섭계에서 동적 분리 및 노이즈 내성 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 양자 락인 증폭은 약한 퍼텐셜에 대한 감도 향상을 위해 유도 원자 간섭계에 구현될 수 있는가?
• RQ5 대비와 위상 안정성이 유지되는 조건에서 파이프 간섭계에서 사용 가능한 최대 간섭 시간은 얼마인가?

주요 결과

• 진동 차단 없이도 안정적인 0.9초 간섭 시간을 달성하여 환경 노이즈에 대한 내성을 입증하였다.
• 200회 왕복(400번의 반사) 동안 높은 간섭 무늬 대비를 유지하였으며, 거울 펄스 효율이 99.4%에 이르렀다.
• s-파면 산란 길이를 거의 0으로 조절하여 충돌 손실을 감소시키고 장시간 간섭을 가능하게 하였다.
• 고효율 브라그 펄스에 기인한 동적 분리 효과로 기술적 위상 노이즈가 억제되어 노이즈가 많은 환경에서도 작동 가능했다.
• 양자 락인 증폭을 통해 파형 강도를 변조하고 홀수 페러티 위상 평균화를 적용함으로써 최대 20 dB의 신호 증폭을 입증하였다.
• 홀수 페러티 작동으로 간섭계 위상의 앨런 분산가 감소하여 장기적 안정성을 향상시키고 체계적 드리프트를 억제하였다.