[论文解读] Velocity-dependent phase shift in a light-pulse atom interferometer

Léo Morel, Zhibin Yao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文識別並建模了光脈衝原子干涉儀中由拉曼脈衝期間強度變化引起的速度依賴性相移，該相移導致原子波包因激光強度感知的非對稱性而發生位移。通過應用定制的激光功率斜坡，作者實驗上抑制了這種系統性偏差，使對原子速度分布的敏感度降低80%，從而提升了 $h/m$ 測量和等效原理檢驗等精密測量的準確性。

ABSTRACT

Atom interferometry relies on the separation and recombination of atom wavepackets. When the two paths overlap perfectly at the end of the interferometer, the phase is insensitive to the atomic velocity distribution. Here, we show that, when the separation and recombination is performed using a Raman transition there is a displacement of the atomic wavepacket due to a phase shift during light pulses. Because of the variation of the laser intensity seen by the atoms, there is an imperfect cancellation of these displacements. The observation of a velocity-dependent phase shift on the interferometer is the signature of this effect, which has been modeled. Thanks to the signature we have identified, we are able to compensate for this effect by applying laser power ramps during the interferometer to mitigate intensity variations.

研究动机与目标

• 識別並建模拉曼基原子干涉儀中因光脈衝期間強度變化導致的、此前未被考慮的速度依賴性相移，其機制為波包因強度感知非對稱性而發生位移。
• 量化這種相移如何由空間變化激光強度與原子橫向速度共同作用，導致位移不完全抵消而產生。
• 開發並實驗驗證一種利用激光功率斜坡來減輕干涉儀對初始原子速度分布敏感性的補償方法。
• 將此模型推廣至其他干涉儀幾何結構及精密實驗，包括 $h/m$ 測量與等效原理檢驗。

提出的方法

• 使用拉曼躍遷的一般相移公式對波包位移進行理論建模，考慮時變拉比頻率與差分光頻移。
• 推導出包含波包位移與光頻移貢獻的相移公式（公式15），實現對速度依賴性相移的解析預測。
• 實驗上採用拉姆齊-博爾德干涉儀，使用87Rb原子的熱雲（1/e寬度為2 cm/s），並引入500 BOs脈衝以選擇橫向速度。
• 應用線性激光功率斜坡（從第一個到最後一個脈衝增加10%和20%），以抵消原子在干涉儀序列中感知的平均強度下降。
• 掃描平均多普勒失諧以繪製相位響應，觀察速度依賴性相移的色散特徵。
• 在不事先知道速度分布的情況下校準功率斜坡，使該方法可在實際干涉儀系統中應用。

实验结果

研究问题

• RQ1 儘管脈衝序列對稱，拉曼基原子干涉儀中為何仍會出現速度依賴性相移？
• RQ2 拉曼激光的空間強度分佈與原子橫向速度如何共同導致淨相移？
• RQ3 由波包位移引起的相移能否實現解析建模並經實驗驗證？
• RQ4 激光功率斜坡能在多大程度上降低干涉儀對初始原子速度分布的敏感度？
• RQ5 此效應如何影響 $h/m$ 測量與等效原理檢驗等精密測量的準確性？

主要发现

• 速度依賴性相移源於不同橫向速度的原子感知的時變激光強度導致波包位移未能完全抵消。
• 理論建模得出的一般相移公式同時考慮了拉比頻率變化與差分光頻移，與實驗觀測結果一致。
• 實驗測量顯示，相移隨初始速度的變化呈現色散特徵，證實了該效應的存在。
• 應用從第一個到最後一個拉曼脈衝的10%線性功率斜坡，可使干涉儀對初始速度分布的敏感度降低約80%。
• 該補償方法無需事先知道原子速度分布，且可通過實驗校準，適用於實際干涉儀系統。
• 該方法可推廣至其他拉曼基干涉儀幾何結構，對雙物種等效原理檢驗與高精度 $h/m$ 測量具有重要意義。