[论文解读] Scalable, symmetric atom interferometer for infrasound gravitational wave detection

C. Schubert, D. Schlippert+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 17

一句话总结

该论文提出一种可扩展的对称原子干涉仪，采用单圈和折叠三重环几何结构，用于探测次声波引力波（0.3–5 Hz）。通过使用反向传播的双光栅和折叠环结构，消除了对飞开尔文量级原子集合的需求，将灵敏度提升至 $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$，并在窄带探测中相比单圈设计实现了9倍的信噪比提升。

ABSTRACT

We propose a terrestrial detector for gravitational waves with frequencies between 0.3 Hz and 5 Hz. Therefore, we discuss a symmetric matter-wave interferometer with a single loop and a folded triple-loop geometry. The latter eliminates the need for atomic ensembles at femtokelvin energies imposed by the Sagnac effect in other atom interferometric detectors. It also combines several advantages of current vertical and horizontal matter wave antennas and enhances the scalability in order to achieve a peak strain sensitivity of $2\cdot10^{-21}\,/\sqrt{\mathrm{Hz}}$.

研究动机与目标

• 解决在次声波段（0.3–5 Hz）探测引力波的挑战，该频段介于当前地基（LIGO）与空间基（LISA）探测器之间。
• 克服传统原子干涉仪中由萨尼亚克效应带来的对原子集合处于飞开尔文温度的严格要求。
• 开发一种探测器，结合水平干涉仪的可扩展性与垂直结构的谱可调性，实现宽带和共振探测模式。
• 利用对称的折叠环几何结构，在目标频带内实现 $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ 的应变灵敏度。
• 实现地基探测晚期螺旋双星系统的引力波，补充现有天文观测，提升多信使天文学的观测能力。

提出的方法

• 采用双光栅配置的对称物质波干涉仪，利用两束反向传播的光束，确保两条路径上的光子反冲相等。
• 设计折叠三重环几何结构，通过空间重用原子轨迹来增强相位灵敏度，而无需深井或极端冷却。
• 使用两个水平臂（沿x和y方向），每个臂包含两个原子干涉仪，通过共用激光束抑制激光频率噪声。
• 在两臂之间应用差分相位测量，以检测沿z方向光程长度受引力波调制引起的相位变化。
• 将自由下落时间T作为可调参数以调节频谱响应，三重环设计在1米高的腔体中可实现最高260 ms的T。
• 采用同步定时与指向控制的重新发射装置，以最小化技术噪声，特别是指向抖动和旋转噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 折叠环原子干涉仪是否能在不依赖飞开尔文原子集合的前提下，保持次声波段的高灵敏度？
• RQ2 在宽带和窄带探测模式下，折叠三重环几何结构相比单圈干涉仪在信噪比方面有何提升？
• RQ3 通过自由下落时间T，干涉仪的频谱响应可调节到何种程度？其对低频灵敏度有何影响？
• RQ4 折叠环设计中的主要技术噪声源是什么？能否通过抑制手段实现 $2 \cdot 10^{-21}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ 的应变灵敏度？
• RQ5 该探测器能否在多次重新发射周期中保持相干性和相位稳定性，而不会因指向噪声或机械不稳定性导致灵敏度下降？

主要发现

• 在窄带探测模式下，折叠三重环干涉仪的信噪比约为单圈设计的9倍。
• 单圈干涉仪的灵敏度受限于双光栅之间45 cm的高度差，导致自由下落时间T的可调性受限。
• 相比之下，折叠三重环设计可在1米高的腔体中将T调节至260 ms，显著提升低频灵敏度。
• 折叠三重环干涉仪在低频段的应变灵敏度随频率呈 $f^{-4}$ 依赖关系，优于单圈设计的 $f^{-2}$ 依赖关系。
• 镜面振动和牛顿噪声在1 Hz以下限制了灵敏度，但通过悬挂系统和差分加权技术可将其抑制至与牛顿噪声相当的水平。
• 在残余旋转噪声为 $2 \cdot 10^{-11}\, \mathrm{(rad/s)/\sqrt{\mathrm{Hz}}}$ 的条件下，约400秒积分后达到本征指向噪声极限，表明长期积分时间下噪声抑制策略至关重要。