[论文解读] Matter Wave Analog of a Fiber-Optic Gyroscope

Katarzyna Krzyżanowska, Jorge Ferreras+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 9

一句话总结

该论文首次展示了使用激光-偶极波导中的87Rb玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）实现的紧密约束物质波光纤陀螺仪。通过采用δ-踢冷却和布喇格脉冲，构建了一个有效封闭面积为0.8 mm²的萨尼亚克干涉仪，系统实现了20%的平均条纹对比度，相位噪声按τ⁻¹/²规律增长，经过30分钟平均后可探测到地球自转。

ABSTRACT

Confining the propagating wavepackets of an atom interferometer inside a waveguide can substantially reduce the size of the device while preserving high sensitivity. We have realized a two-dimensional Sagnac atom interferometer in which Bose-condensed $^{87}$Rb atoms propagate within a tight waveguide formed by a collimated laser beam, a matter wave analog of the fiber optic gyro (FOG). The condensate is split, reflected, and recombined with a series of Bragg pulses while the waveguide moves transversely so that the wavepacket trajectories enclose an area. Delta-kick cooling is used to prepare low-density atomic wavepackets with a temperature of \SI{3}{ ano \kelvin}. The low density reduces the impact of interatomic interactions, while the low temperature limits the expansion of the wavepacket during the interferometer cycle. The effective enclosed area is $0.8 ext{mm}^2$ with an average fringe contrast of 20\% and underlying contrast up to 60\%. The main source of the reduced average contrast is phase noise caused by mechanical vibrations of the optical components. We present the first measurement of Allan deviation for such an atom rotation sensor, showing that the interferometer phase noise falls with averaging time $τ$ as $τ^{-1/2}$ for $τ$ up to 10,000 seconds. The statistical noise falls below the Earth rotation rate after 30 minutes of averaging.

研究动机与目标

• 通过在紧凑的光学波导中约束物质波，开发一种紧凑、高灵敏度的原子干涉仪陀螺仪，类比光纤陀螺仪。
• 克服自由空间原子干涉仪因重力引起的波包扩展而随探测时间平方增长的尺寸限制。
• 通过低温、低密度的BEC波包和稳定的光学导引，降低由原子间相互作用和机械振动引起的相位噪声。
• 通过最大化有效封闭面积，同时保持高条纹对比度和低统计噪声，实现高灵敏度旋转传感。
• 测量并表征干涉仪的阿伦方差，在30分钟平均后性能低于地球自转速率。

提出的方法

• 在强聚焦、准直的激光束中约束87Rb玻色-爱因斯坦凝聚体，形成二维光学波导，类比光纤陀螺仪中的光纤。
• 采用δ-踢冷却技术产生低密度、低温的原子波包（3 nK），以抑制波包扩展和原子间相互作用。
• 通过一系列布喇格脉冲实现原子波包的分裂、反射和重新结合，同时使波导横向移动以包围0.8 mm²的面积。
• 通过p=0输出端的布居数测量干涉仪相位移，并利用包含相位噪声和偏移噪声的噪声模型分析条纹对比度。
• 应用阿伦方差量化长时间尺度下的相位噪声，结果显示在10,000秒内相位噪声按τ⁻¹/²规律增长，表明量子极限性能。
• 通过相互作用系数g和非线性相位积累ξ建立相位扩散模型，可见度V = exp(–2ξ²N)，用于评估相互作用引起的退相干效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧密约束、光学导引的BEC萨尼亚克干涉仪是否能在紧凑装置中实现大的有效封闭面积？
• RQ2 δ-踢冷却对导引物质波陀螺仪中条纹对比度和相位稳定性有何影响？
• RQ3 相位噪声随平均时间τ的标度关系如何？是否符合预期的τ⁻¹/²规律？
• RQ4 机械振动和原子间相互作用在多大程度上限制了干涉仪的性能？
• RQ5 阿伦方差能否用于表征并验证物质波旋转传感器的统计噪声性能？

主要发现

• 系统实现了0.8 mm²的有效封闭面积，平均条纹对比度为20%，原始对比度最高达60%。
• 相位噪声在长达10,000秒的平均时间内按τ⁻¹/²规律增长，表明处于量子极限状态，30分钟积分后统计噪声低于地球自转速率。
• δ-踢冷却有效抑制了波包扩展和原子间相互作用的影响，即使在80 ms探测时间下仍保持高条纹可见度。
• 理论建模表明，相互作用引起的相位扩散会显著降低高密度原子云的可见度，但低密度、δ-踢冷却的波包可有效缓解此效应。
• 机械振动被确定为平均条纹对比度降低的主要原因，尽管其本征相干性很高。
• 干涉仪的统计噪声底限低于10⁻⁴°/√h，性能与最先进的商用光纤陀螺仪相当。