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

Christian Schubert, Jonas T. Hartwig+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用 17

一句话总结

本文提出一种用于STE-QUEST空间任务的双同位素 87Rb/85Rb 原子干涉仪方案，旨在以 2×10^−15 的灵敏度测试自由落体的普遍性（UFF）。通过在微重力环境中使用对称拉曼光束分束器，该方法利用共模抑制技术抑制环境噪声，对线性加速度和振动的抑制比达到 2.5×10^−9，从而在5秒自由演化时间内实现高精度的差分加速度测量。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于 87Rb 和 85Rb 同位素的高精度差分原子干涉仪，用于在太空中测试自由落体的普遍性（UFF）。
• 通过使用两种高度匹配的原子种类，利用共模抑制技术，抑制环境噪声源（尤其是振动和加速度）的影响。
• 实现对 Eötvös 比值 2×10^−15 的目标灵敏度，超越当前地面实验的极限。
• 评估并减轻空间微重力环境中磁质梯度、波前曲率和虚假加速度等一阶相位误差的影响。
• 为 STE-QUEST 任务的原子干涉仪有效载荷建立稳健的误差预算与性能模型。

提出的方法

• 实验采用马赫-曾德尔干涉仪结构，利用对称拉曼光束分束器，同时相干地分裂并重新组合 87Rb 和 85Rb 的物质波。
• STE-QUEST 轨道提供的微重力条件使自由演化时间达到5秒，从而最大化 UFF 检测的相位积累。
• 通过精确匹配两种同位素的膨胀速率（82 µm/s），最小化由波前曲率引起的相位偏移。
• 通过共享同一束反向反射的光束分束光场，实现共模抑制，对振动和线性加速度的抑制比达到 2.5×10^−9。
• 通过反转内部态制备，抵消残余磁质梯度的影响。
• 系统性误差（如虚假加速度、重力梯度和光束分束器不准确）已评估，结果表明其与目标灵敏度兼容。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用 87Rb 和 85Rb 的差分原子干涉仪抑制环境噪声，以实现在太空中对 UFF 的亚 10^−15 水平测试？
• RQ2 在双同位素干涉仪中，主导的系统性相位偏移是什么？在微重力环境中如何加以抑制？
• RQ3 对于同一元素的两种同位素，其共模抑制振动和加速度的效能可达到何种程度？
• RQ4 波前曲率、磁质梯度和光束分束器缺陷如何影响差分相位？需要何种校正措施？
• RQ5 在任务轨道与有效载荷约束条件下，STE-QUEST 原子干涉仪对 Eötvös 比值的可实现灵敏度是多少？

主要发现

• 双同位素 87Rb/85Rb 干涉仪由于共模抑制，对线性加速度和振动的抑制比达到 2.5×10^−9。
• 干涉仪设计支持在微重力环境中实现5秒的自由演化时间，从而最大化 UFF 检测的相位灵敏度。
• 两种同位素的膨胀速率均匹配至 82 µm/s，以抵消波前曲率引起的相位偏移。
• 对 Eötvös 比值的估计灵敏度优于每圈 5.3×10^−14，经1.5年运行积分后，总灵敏度优于 2×10^−15。
• 系统性误差（包括虚假加速度、磁质梯度和光束分束器不准确）的估计值与目标精度 2×10^−15 兼容。
• 误差预算表明，所有主要噪声源均处于可接受范围内，系统设计为光子噪声受限，差分加速度灵敏度达 3×10^−12 m/s² 每20秒周期。