自由电子下落测量重力加速度.doc

通过原子的下落测量重力加速度激光冷却原子和原子捕获正在寻找增加在许多科学领域上的应用，激光冷却原子的一个重要的应用就体现在原子干涉仪上，在这些设备中，原子被放置在一个两个或更多的分隔空间叠加的原子状态，这些状态各自被量子力学的相位术语所描述，如果这些状态在稍后被一起带回则会相互干涉，原子干涉仪已被证明在加速度，旋度和精细结构常数的测量上是精确的惯性传感器。在这里我们用基于冷原子喷泉的原子干涉仪去测量重力加速度g。通过详细的调查和消除可能会影响到其准确性的测量的系统效应，我们实现了绝对的不确定性gg310-9，相比之前的原子干涉仪实验，绝对精度在百万倍上的有了明显增幅。我们还比较我们的测量结果和在同一实验室用迈克耳孙干涉重力仪（现代相当于伽利略的比萨斜塔实验）所测量的g值。我们的分析表明宏观玻璃对象在该仪器中具有相同的加速度，在7个部分都在109，像量子力学中的铯原子。在这里，我们重点放在扩大原子干涉仪的精度，通过增加使用干涉测量时间和通过使用基于光的光脉冲的原子光学组件。在第一部分我们已经展示了如何用原子干涉仪测量g精确到1010。三个部分的相对不确定性gg都在109，当前工作表明，这种类型的原子干涉仪可媲美于物理中的绝对测量最敏感的测量工具。我们相信这项工作也是量子和宏观物体之间的对等原则的最佳的确认。相比之下，通过中子和宏观对象的测量之间仍有百分之几的差异，我们可以得出结论，有种子方面的测量是不能很好地理解。最后，此干涉仪中见过的高边缘对比度增加了投机的量子态相扩散时时空波动可能性的严重限制。我们原子干涉仪使用光的脉冲激发两个不同状态原子之间的跃迁。原子第一次接触到光2脉冲的定义为光脉冲，原子最初状态为|1，p，特征是由内部状态|1和动量p，成为一个平等的叠加原始状态|1，p和第二状态；第二状态的特征是由内部状态|2和动量p+k，记为 |2，p+k。这里的k是由光所传递的动量脉冲。经过一段时间T，原子漂移的两部分相距kTM，其中M是原子质量。激发通过名为“-脉冲”导致处于原子状态的|1，p部分跃迁为|2，p+k，处于|2，p+k的部分跃迁成|1，p。另一个周期T后，两部分的原子一起回来，第二个相对于原子相位的合适相位2脉冲可以将原子置于|1，p和|2，p+k之一。早期的分析表明，干涉仪的两个路径之间的相位差：=（1t1-2t2）1-（2t2-3（t3）2在每个光脉冲的开头，处于时间ti，位置zi的激光其相位是iti=kzi-ti，是光的频率，i指两个经典的路径。在我们的实验中，光的频率改为以相位连续的方式，这样方便其在由重力引起的原子态 |1，p|2，p+k的跃迁中保持共振。在这些条件下，我们已经知道=hgT2。在实验中使用的内部状态是铯的两个磁感应不灵敏的超精细基态。反向传输激光束诱导这些状态之间的双光子拉曼跃迁，双光子拉曼跃迁就是两倍力学效应的单光子跃迁。最重要的是光跃迁是两束激光的频率差决定的，而其是由稳定的相位锁定的微波源。因此，我们必须精确确定光的相位和频率。我们已经分析了由于重力的复杂性。对恒重力梯度来讲，g的最低阶的修正量是：g=（712g0T2-v0-z0）这里的v0和z0是原子在参考点的位置和速度，就是在实验室里的第一个2脉冲之前的自由振动。在我们的实验室，310-7gm-1,主要是因为地球引力场的梯度。对于典型的实验参数，梯度修正是31p.p.b.实验设置如图1所示： 图1约5108的铯原子是从背景低压蒸气中提取和加载到 600 ms 的磁光阱中。关闭磁场后，通过移动偏振梯度光学粘团发射原子。在此期间，通过调节光学粘团到60MHz低于共振和调低其强度到5mWcm-2.在发射的最后阶段，激光强度在400s内下降到0，使得原子也被绝热冷却。最后发射的原子温度为1.5K。发射的原子遇到一个脉冲序列（筛选速度拉曼和吹散状态微波），序列在6S12内放置了3106个原子，F=3，mF=0的状态有一个有效的垂直温度10nK。这样的低速扩散在0.5ms到160ms之内的所有周期内给了我们一个65%条纹对比度。我们在磁屏蔽区域进行干涉测量。光脉冲来自于两个外部腔的锁相二极管激光器。在不影响测量g的准确性或灵敏度的前提下，我们在实验中应用了不同的偏振配置和强度，我们的实验保持2 ppb相对不确定度。拉曼差频是由一种直接数字频率所引用的罗兰C频率标准合成器来控制的。在三个固定频率之间切换频差可补偿320-ms干涉仪自由落体时间内重力引起的多普勒频移。后向反射拉曼光束从下面进入真空室。由于原子跃迁的多普勒敏感，每束上行和下行的光束中只有一束光束是和原子共振的。因为两个拉曼光束都是以相同的路径进入真空系统，两束光束的实验室振动频移几乎是相同数值。因此，只有后向反射面的振动才影响拉曼差频。这个反射面安装在一个有效地稳定的振动隔振系统上。通过低噪音，低频率的力反馈加速度计测量的加速度是经过数字化的处理。通过电磁制动器操作电流来控制输出信号。平台具有0.02赫兹的有效共振并且降低了介于0.2到5Hz两个数量级之间的振动。没有这种隔振，我们的干涉条纹消失的时间T要大于40ms。反馈电路上，基本上是不会丢失边缘对比度达最大降幅倍，其被磁屏蔽区域规模所限制。我们的设备中包括进一步控制包括活动倾斜部分的控制，保持倾斜的后向反射面倾斜角度在10rad以内。通过三个一维的主动反馈隔振放在光学台的三个角减少了光学台关于水平轴的旋转。T=160ms的脉冲间距干涉仪的典型数据如图2所示。 图2一分钟的积分时间使得我们能够将g精确到310-9。为了找到中央条纹，我们从2ms到160ms选择了不同的周期T。图3a连续三天测量g，每个点对应的数据类似于图2。图3b显示我们的测量和两个潮汐模型之间的区别。经过两天的积分时间后，我们发现潮汐模型包括本地环境的海潮负荷效应能精确到110-10。 图3a 图3b在我们的实验期间，我们已经安排了一个绝对重力仪在实验室运行三天来测量绝对的g值。角锥由自由落体表明的单臂的迈克尔逊光学干涉仪，并引用一个2 p.p.b.的相对不确定度。与我们为期2天运行中获得的g值进行比较，有（77）p.p.b.的差异。在比较我们关于当地的重力梯度不确定度的测量中被限制在5 p.p.b.，在每厘米垂直位移测量中的不确定性导致3 p.p.b.的校正。两个仪器在我们实验室相距2m，高度差是0.5m。直接比较这两种仪器的噪声也表明我们的原子干涉仪的分辨率比角锥落体重力计高四倍，主要是由于，我们的仪器重复率(1/1.3Hz)比FG5(1/15Hz)低。这两种仪器每次发射的噪音是相似的。低频振动的主动隔振器的使用克服了以前的g实验的主要限制的。有了一个良好支持的振动隔离器封装在隔声箱里，包括了系统所有部件正确对准，由于产生的噪音振动，从集成的噪音和依赖于频率的系统响应，功率谱密度计算发现是5 p.p.b.。这是低于其他一些主要的噪声源（见表1）。 表1有了更好的频率源，放射性的稳定拉曼光束的强度，把铯移动到探测区域以外，这些主要的噪音可以降低到小于1ppb。人为本底噪声的隔振系统的进一步调查可能会提升最终的仪器内的散粒噪声极限10倍的性能。表 2 表2显示我们已经确定了最重要的系统效应和其相关的不确定性。其他效果，如磁场梯度、 波前曲率、 散斑，在空气和玻璃中的色散，光脉冲定时和切换中的错误，通过实验发现，以低于0.1 p.p.b.的水平并没有列出。我们也估算相对论修正（0.1p.p.b.）和变化的有效波矢的干涉序列在不同的传播序列（纠正不确定度，0.1p.p.b.）。我们现在考虑其他工具来源可能增加的不确定性。对于中子干涉实验的动态衍射修正g百分之几的原始测量。伯德指出，目前在我们的实验类似的效果应取决于因重力加速度在脉冲中原子共振的失谐。实验上，我们发现是否只在脉冲中间失谐量保持为0与由于重力加速度引起的啁啾脉冲失谐量保持为0（在实验不确定度2 p.p.b.内）没有什么区别。此外，常见的失谐对所有三个脉冲的影响被测量到的每千赫兹失谐共振条件是1.3 p.p.b.。在我们的实验中失谐是少于 100 Hz，我们估计对我们的实验的这种影响应小于 1 p.p.b.。光脉冲可能诱发a.c.Stark移位，导致系统误差。我们通过引入不会影响2到脉冲跃迁的场外共振拉曼脉冲来测量a.c.Stark移位。这种移位可以通过调整拉曼光束的比例强度使其小于1 p.p.b.。然而，在长期运行中这个比例往往波动，我们对这个影响分配了1 p.p.b.的不确定度。科里奥利效应发生时原子有水平的速度。在此情况下，干涉仪的脉冲与原子的速度不平行，导致原子干涉包含一个空间区域。测量比重产生旋转变化的灵敏度是g=2（v0k），这里的是角位移，v0是原子的速度，k是光子反冲的方向。地球自转的7.2510-5rad s-1导致在g上有一个1 p.p.b.的移位，使得原子有一个沿东向西的速度0.0087cm s-1，与典型的小原子云（1.5cm s-1）传播速度相比， 小得多。如果我们选择的下降到探测区域东部和西部的原子数量均衡，这种效应可以降低到0。通过摇摆光学台，从而引进大的旋转，我们能够在0.01 cm内定位这个点，造成一个在g上2 p.p.b.的相对不确定度。依赖于频率的非线性相移的无线电频率系统控制拉曼差频模拟重力信号。通过纠正的测量的相位变化和取k 的不同方向的平均结果，我们已经大大降低这个影响。但是，这个步骤是困难的，剩余的2 p.p.b的相对不确定度仍然是一个主要的系统效应。我们通过原子发射时逐步降低高度测量在互动区域中的重力梯度，互动区域是使用T=90ms干涉条纹的磁屏蔽区域。在不同高度的g值表明，重力梯度等价于自由空气梯度。这是合理假设恒定渐变的公式的使用。我们有各种不同时间相对于2-2的脉冲发射时间。我们观察到由于重力梯度的计算的更改和光的 k 向量的幅度的改变导致定量g的变化。我们的数据计算的曲