单磁光阱三喷泉条纹锁定法原子干涉差分测量研究

Precise determination of the gravitational constant G is significant for theories of gravitation, cosmology and astrophysics. And measurements of gravity gradient as well as gravity-field curvature by atom interferometry have important applications for the determination of the gravitational constant. Especially for the measurement of gravity-field curvature, three atomic clouds are used to sense the additional gravitational acceleration for different sites generated by source masses. And thus the influence of the earth’s gravity gradient on the determination of G is naturally suppressed through the differential measurement between the three atomic clouds. As an earlier stage research on the determination of G by atom interferometry in our laboratory, this program focuses on precisely measuring the gravity gradient and gravity-field curvature by manipulating three atomic clouds to interfere using the same Raman lasers. And the three atomic clouds are sequentially launched from single magneto-optical trap, forming three simultaneously flying atomic fountains. Moreover, the multiple-fringe-locking method will also be exploited to lock the interference fringes of the three atomic clouds to the respective mid-fringe. In the mid-fringe, the measurement is maximally sensitive to the variation of the phase shift, and thus this locking method is capable to improve the sensitivity of the measurements as well as the sampling rate. This program will provide a stepping stone for future measurement of the gravitational constant using atom interferometry in our group.

万有引力常数G的精确测量对引力理论、宇宙学、天文学等有着重要意义，而原子干涉重力梯度测量和重力场曲率测量在万有引力常数测量中有着重要应用。特别是原子干涉重力场曲率测量技术，它利用三团原子来感应吸引质量在不同位置产生的附加引力加速度，并通过三团原子之间的差分测量，直接扣除测G实验中背景重力梯度的影响。本项目作为实验室原子干涉法测G实验的前期研究，拟采用单磁光阱先后上抛三团原子，形成三原子喷泉，并利用同一束拉曼光操控它们进行原子干涉，从而实现重力梯度和重力场曲率的高精度测量。同时，本项目还将采用多条纹锁定方法将这三团原子对应的干涉条纹同时锁定在各自的条纹中心。在条纹中心处，干涉测量对相位变化最敏感，故条纹锁定方法在提高测量采样率的同时，还可以提高原子干涉测量灵敏度。该项目的开展将为课题组后续进行原子干涉法测量万有引力常数的实验打下良好基础。

高精度原子干涉差分测量对基本物理规律检验、万有引力常数测量、惯性导航等都具有重要意义。特别对于万有引力常数测量，原子干涉法是对传统扭称法的有力补充，而与扭称技术相比，原子干涉技术灵敏度目前还有待提高。本项目拟采用多原子喷泉结合条纹锁定的方案来提高原子干涉差分测量的灵敏度，初步目标是实现高精度重力梯度测量，为后续高精度万有引力常数测量奠定基础。本项目原计划有四个主要研究内容，第一是条纹反馈锁定方法的理论研究，第二是单磁光阱三原子喷泉实验研究，第三是三条纹反馈锁定差分测量研究，第四是反馈线圈引起的附加误差研究。针对这四个研究内容，首先，我们理论上分析了条纹锁定和传统条纹扫描两种工作模式对不同类型噪声的响应，给出了两种工作模式不同类型噪声影响的定量比较，同时也对反馈线圈引起的附加误差进行了分析，认为条纹锁定利用的反馈线圈并不会引起显著的误差。其次，我们利用双磁光阱装置实现了高质量双原子喷泉，原子数目和原子团温度都优于既定目标。最后我们利用双原子喷泉进行了高精度重力梯度测量。在补偿地球自转效应的基础上，我们分别利用磁场梯度效应和拉曼光波矢跳变技术使双原子干涉仪保持同相，提高了原子干涉差分测量灵敏度，达到180E/Hz^(1/2)水平。这些研究为后续原子干涉法测量万有引力常数奠定了良好的基础。另外，在本项目执行期间，我们受到启发，利用原子干涉仪本身实现了拉曼光绝对频率和参考时钟的校准，该方法极大促进了原子干涉技术进行精密测量的应用。