[论文解读] One second interrogation time in a 200 round-trip waveguide atom interferometer

Hyosub Kim, Katarzyna Krzyżanowska+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 13

一句话总结

该论文展示了一种基于一维光晶格中极冷 39K 原子的 200 次往返波导原子干涉仪，通过 Feshbach 调谐使 s 波散射长度接近零，以抑制碰撞损耗。通过采用高效率（99.4%）的布喇格衍射脉冲和动态解耦，系统在无振动隔离条件下实现了创纪录的 0.9 秒探测时间，从而实现了对原子极化率的高灵敏度测量，并具备潜在的萨尼亚克旋转传感能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高灵敏度的原子干涉仪，适用于便携式惯性传感应用。
• 克服因波导弯曲和相位噪声导致的波导基干涉仪探测时间短的限制。
• 通过 Feshbach 共振将 s 波散射长度调谐至接近零，以抑制原子间碰撞引起的退相干。
• 通过采用多个短程往返而非单一大轨道，实现在导引几何结构中的长探测时间。
• 通过高效率布喇格脉冲实现动态解耦，提升对环境噪声的鲁棒性。

提出的方法

• 利用一束聚焦较松的 1064 nm 激光束和亥姆霍兹线圈产生的磁势阱，形成一维波导以约束极冷 39K 原子。
• 利用 Feshbach 共振将 s 波散射长度调谐至接近零，以最小化多次往返过程中的碰撞损耗。
• 在 766 nm 波长下沿波导轴向施加布喇格衍射脉冲，以 99.4% 的效率相干地分裂和重新组合原子波包。
• 采用多环结构，共经历 400 次反射（200 次往返），在保持干涉仪可见度的同时延长有效探测时间。
• 通过在频率 F 调制波导强度，实现量子锁相放大，实现相位同步检测并抑制噪声。
• 采用奇宇称相位平均技术，消除系统性相位漂移，提升长期稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多环导引原子干涉仪是否能在波导弯曲和环境噪声存在的情况下实现超过一秒的探测时间？
• RQ2 通过 Feshbach 共振调谐在高密度、多环干涉仪中能将碰撞损耗降低到何种程度？
• RQ3 高效率布喇格衍射（99.4%）在紧凑干涉仪中对实现动态解耦和抗噪声能力有多显著？
• RQ4 量子锁相放大是否可应用于导引原子干涉仪，以增强对微弱势场的灵敏度？
• RQ5 在保持可见度和相位稳定性的情况下，波导干涉仪的最大可用探测时间是多少？

主要发现

• 干涉仪在无振动隔离条件下实现了稳定的 0.9 秒探测时间，证明了对环境噪声的强鲁棒性。
• 系统在 200 次往返（400 次反射）后仍保持高条纹可见度，镜面脉冲效率达 99.4%。
• s 波散射长度被调谐至接近零，显著降低了碰撞损耗，从而实现了长探测时间。
• 高效率布喇格脉冲带来的动态解耦效应有效抑制了技术性相位噪声，使系统可在嘈杂环境中运行。
• 量子锁相放大通过调制波导强度并结合奇宇称相位平均，实现了高达 20 dB 的信号放大。
• 奇宇称操作显著降低了干涉仪相位的 Allan 方差，提升了长期稳定性并抑制了系统性漂移。