基于双组分冷原子干涉仪的等效原理检验

The equivalence principle is one of the two basic assumptions of general relativity, but some new theories, which try to unify the gravity and the standard model, generally require violation of equivalence principle. The accuracy of equivalence principle test based on macroscopic objects is up to 10^[-13], while the best accuracy of atom interferometer based equivalence principle test is only 10^[-7]. We found that, the main factors limiting the accuracy of atom interferometer based equivalence principle test, are different error sources and the crosstalk between Raman lasers. To solve these problems, we propose and implement a four-wave double-diffraction Raman transition (4WDR) scheme, recently. We applied the 4WDR scheme in equivalence principle test experiment based on dual-species atom interferometer, and achieved preliminary progress. This project will carry out equivalence principle test with higher accuracy based on the current progress, to further optimize the 4WDR dual-species atom interferometer scheme, to quantitatively analysis AC Stark shifts caused by multi-frequency Raman beams and their suppressing method, to extensively investigate the immune mechanism of phase noise due to Raman beams in the 4WDR scheme, to actively compensate the influence on experimental measurements due to Coriolis effect, and to accurately evaluate the systematic error and the measurement noise. The expected accuracy of atom interferometer based equivalence principle test in this project is better than 2 *10^[-8], which will exceed the best result in the world at present time.

等效原理是广义相对论的两个基本假设之一，但将引力与标准模型统一起来的新理论要求等效原理破缺。基于宏观物体的等效原理检验精度高达10^[-13]，而基于原子干涉仪的等效原理检验精度只有10^[-7]。我们发现，限制原子干涉仪等效原理检验精度的主要因素是不同来源的误差和难以克服的拉曼激光之间的串扰。针对这些问题，我们近期提出并实现了一种四波双衍射拉曼跃迁（4WDR）方案，我们将4WDR方案用于双组分原子干涉仪等效原理检验实验，已取得了初步进展。本项目拟在当前工作基础上开展更高精度的等效原理检验，进一步优化4WDR双组分原子干涉方案，定量分析多频拉曼光的交流斯塔克频移及其抑制方法，深入研究4WDR方案对拉曼光相位噪声的免疫机理，主动补偿科里奥利效应对实验测量的影响，准确评估系统误差和测量噪声。希望通过本项目使基于原子干涉仪的等效原理检验实验的精度优于2*10^[-8]，超过目前国际上的最好水平。

本项目原计划利用四波双衍射拉曼跃迁（4WDR）Rb-85、Rb-87双组分原子干涉实验方案，通过精确测量并比较Rb-85、Rb-87 原子的重力加速度来高精度检验弱等效原理（WEP），将厄缶系数的不确定度提高到国际上同类实验的最好水平。具体目标如下:（1）发展和完善4WDR 双组分原子干涉方案。（2）完成Rb-85、Rb-87重力加速度的共模差分测量。（3）完成WEP 的高精度实验检验，使厄缶系数的不确定度优于2*10^[-8]。.经过四年的努力，项目组完成了十米原子干涉仪真空、磁屏蔽系统的升级改造，使与原子干涉区的磁场波动从600 nT 降低到了 8 nT，利用新磁光阱系统制备了温度低于3 微开的原子团，原子数达到1*10^[9]，获得了对比度大于30%的原子干涉条纹；完成了4WDR原子干涉方案的优化；设计并实现了拉曼光反射镜三维转动补偿系统，利用该系统对地球转动导致的科里奥利效应进行了补偿，使科里奥利效应对等效原理检验的影响小于1*10^[-9]；完成了实验及环境参数测量噪声的抑制；改进了原有的信号采集与实验数据处理方案。完成了残余振动噪声、射频相位噪声、光强起伏与光束指向偏差对测量精度影响的评估；完成了原子团质心位置、时间同步程度对测量精度影响的评估；完成探测激光频率噪声等对测量精度影响的评估；实现了共模抑制的双组分原子干涉仪，系统连续稳定测量时间可达3天；开展Rb-85、Rb-87双组分4WDR原子干涉等效原理检验实验，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，完成了与主要实验参数相关的系统误差评估，将等效原理检验实验的精度提高到6.7*10^[-10]。.项目组共发表SCI论文21篇，其中包括Physical Review A 5篇， Optics Express 4篇，Metrologia 1篇。获得国家发明专利7项。项目培养博士生3名，硕士1人。项目骨干1人获得中国科学院青年创新促进会项目的资助。.项目的研究工作取得突出进展，全面完成研究计划和目标。