利用原子干涉法高精度检验弱等效原理

In recent years, the precision of the weak equivalence principle test based on atom interferometry is 3-4 orders of magnitude higher than that of the neutron-based test. Among them, the precision of Rb-85 and Rb-87 dual atom interferometer based weak equivalence principle test achieves 10^[-8] level, and the test precision with different spin-orientated Rb-87 (mF=±1) atoms achieves 10^[-7] level, both works were finished by members of this project team, and they are at leading level in the world. How to further improve the precision of micro-particle based weak equivalent test, is an important problem in atom interferometer based precision measurement physics. The weak equivalence principle tests using different type atom interferometers need to solve a common problem, which is the preparation of ultra-cold atomic source. Fortunately, our recent work on preparation of Twin-Fock Bose-Einstein condensate provides a new technical approach for the preparation of ultra-cold mixed Rb atom gases. This project will integrate the research advantages of Rb-85 and Rb-87 dual atom interferometer, different spin-oriented Rb-87 (mF=±1) atom interferometer, and preparation of ultra-cold mixed Rb atom gases, and to carry out a more accurate weak equivalence principle test using cold atom interferometers, so that to make the micro-particle based WEP test in China keeping the leading level around the world.

近年来，原子干涉法检验弱等效原理(WEP)的精度比早期中子检验实验的精度提高了3-4个量级，其中，本项目组成员完成的Rb-85和Rb-87双组份原子干涉仪WEP的检验精度达到10^[-8]水平、不同自旋取向Rb-87(mF=±1)原子干涉仪WEP的检验精度达到10^[-7]水平，均处于国际领先。如何进一步提高微观粒子检验WEP的精度，是原子干涉仪精密测量物理面临的重要科题。基于不同类型原子干涉仪的WEP检验都需要解决超冷原子源制备的共性问题，项目组成员近期制备双数态原子玻色-爱因斯坦凝聚体的工作为制备超冷Rb原子混合气体提供新了的技术途径。本项目拟集成Rb-85、Rb-87双组份原子干涉仪、不同自旋取向Rb-87(mF=±1)原子干涉仪以及超冷Rb原子混合气体制备方面的研究优势，开展更高精度的WEP实验检验，使我国的微观粒子WEP检验研究继续保持国际领先水平。

本项目开展了超冷高密度Rb-85和Rb-87混合气体制备工作，完成了Rb-85和Rb-87双组份原子干涉仪弱等效原理的高精度检验，完成了不同超精细结构态原子干涉仪弱等效原理的高精度检验。在原子干涉精密测量技术、原子干涉法检验弱等效原理研究方面取得的主要进展如下：.. （1）发展了原子干涉精密测量技术与方法。提出并实现了评估与优化激光放大器输出特性、精确控制与标定原子轨迹的方法；提出了一种新的直接从延迟自外差干涉信号的功率谱密度中提取激光频率噪声功率谱密度的实验方案；设计实现了可搬运原子重力仪。. （2）完成了超冷高密度Rb-85和Rb-87混合气体的制备。首次实现超越标准量子极限的三模态的制备。完成了超冷碱金属原子体系中宽Feshbach共振的理论研究；完成超冷高密度Rb-85和Rb-87混合气体的制备。. （3）完成了Rb-85和Rb-87双组份冷原子干涉仪弱等效原理高精度检验。实现了Rb-85和Rb-87双组份四波双衍射拉曼跃迁原子干涉仪，增加了原子干涉过程中的自由演化时间，进一步补偿了科里奥利效应，将弱等效原理检验实验的精度提高到1.4×10^[-10]（超过项目任务书中的指标10^[-9]）。. （4）完成了不同超精细态原子弱等效原理的高精度检验。利用布拉格衍射型原子干涉仪开展了不同超精细态Rb-87原子的弱等效原理检验实验，将检验精度提高到2.7×10^[-10]（超过项目任务书中的指标10^[-9]）。.. 项目组共发表SCI论文25篇，其中包括Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 1篇， Physical Review A 6篇, Optics Express 6篇, Metrologia 2篇。获授权国家发明专利1件、实用新型专利3件。.. 项目培养博士研究生6名。项目骨干中有1人获得中国科学院青年创新促进会项目的资助。项目组成员参加国际会议34人次。