利用原子物质波干涉进行高精度重力加速度测量.doc

利用原子物质波干涉进行高精度重力加速度测量吉望西 徐进义 吴书清 刘达伦中国计量科学研究院 电学与量子计量科学研究所（北京 北三环东路18#，100013）摘要：本文报告了中国计量科学研究院正在开展的原子物质波干涉绝对重力测量课题所采用的利用原子物质波干涉进行重力测量的原理和方法。介绍了真空腔的设计思想，并简单介绍了原子物质波干涉和高精度绝对重力测量的应用前景。关键词：原子物质波干涉，重力测量，Rb一、引言电磁辐射和物质都表现出波动的特性。电磁辐射的波动性通常通过杨氏双缝产生干涉条纹或麦克尔逊干涉仪来观测。物质的波动性则通过电子或粒子衍射实验进行研究。虽然描述电磁辐射的麦克斯韦尔方程和描述物质波的薛定谔方程在形式上不一样，但是其波动的特性却是十分相似的。光学干涉仪通常由分束器把入射光分成两束或多束相干光，然后再合束形成干涉。电磁辐射和物质波的干涉仪具有相同的原理结构。唯一不同的是物质波的波长要小100-1000倍。在德布罗意1924年提出物质的波动性后不久，在1930年Estermann等人就观察到晶体表面散射原子产生的物质波衍射。随后就出现了中子和电子的物质波干涉仪1。到上世纪末有关原子物质波干涉的研究有了重要的发展。出现了多种多样的原子物质波干涉实验装置。并且首次利用原子物质波干涉进行了重力测量。原子物质波干涉的重要性已有许多深入的讨论，原子物质波干涉由于原子丰富的内能级结构和原子特性（如质量、磁矩、吸收频率、自旋等），可以提供许多原子物质波干涉的形式和种类。光学干涉仪是传统光学中非常有效和实用的方法和工具。除了高精度的波长测量外，光干涉仪还用来进行物理基础研究。原子物质波干涉提供了新的非常先进的测量方法。如高精度重力加速度的测量、加速度测量、频率标准以及方向性的测量等。由于原子丰富的内能结构和具有质量的特点，可以重新对基本物理原理进行实验研究，从而对量子理论中的一些哲学争论提供实验证据。如量子系统测量过程中相干性的退相干性问题和广义相对论等效原理的验证等。原子物质波干涉的发展激发了量子光学和原子物理中一些新课题的研究，开拓了基础研究和应用研究的新领域。除了在量子物理基础研究中的应用外，原子物质波干涉仪的高精度和高分辨率也使其研究动力的一个主要方面。原子物质波干涉仪可以比传统光干涉仪提高几个量级，也可以研究更为复杂的拓扑和几何相系统、多粒子纠缠等。同时，原子物质波干涉技术作为一种强有力的精确测量手段具有很大的应用潜力。原子物质波干涉仪可以用于测量各种势场、加速度变化；也可以用于原子导航、原子物理常数（如原子超精细常数、普朗克常数等1，2）的测量等。二、利用冷原子物质波干涉进行重力加速的测量的基本思路利用冷原子物质波干涉进行重力加速度测量研究的最终目标建立新一代高精度的原子物质波干涉重力测量基标准体系和共享平台，提高我国重力计量水平和计量服务能力，以满足新时期国家对重力计量工作的迫切需要。提供高精度的原子物质波干涉重力测量基标准系统和测量设备，参与规范国际关键性比对和国际区域比对的规程。利用拉曼激光脉冲序列与原子在特定时间的相互作用从而实现原子物质波干涉。具体过程如下3,4：假设一个两能态原子，初始处于低能态，本振提供接近于原子共振跃迁频率为res的频率LO.第一个振荡脉冲把原子激发至两能态的叠加态。在时间T之间，原子波函数以频率res随时间演化。假设对原子进行第二次振荡脉冲作用，原子的终态将取决于两次振荡的相对相位，如果同相位则原子激发至高能态，若相差则原子回到低能态。假设res=LO，原子沿重力线运动，脉冲振荡波矢与重力线叠合，则在重力场作用下形成的相位差为。由此可以看出，可以通过确定的k和T测量相位差来决定g。对于Rb元素来讲基态频差为6.8GHz，其波矢并不很大，为了增加提高测量精确度，可采用双光子拉曼跃迁。采用相对传输的拉曼光束，原子将从一束光中吸收一个光子，然后受另一束光的激发辐射。这样有效波矢将处于光频范围。从而使得信号得以放大，信噪比提高，测量精确度得以大幅度提高，提高大约4-5个量级。由于在拉曼过程中有较大的动量转换，高能态原子将偏离原空间轨道，在飞行时间T后，波函数可能不再叠合，所以需要在两个干涉脉冲之间引入另外一个脉冲来改变原子运行轨道。简单地说就是使快速原子慢下来，使慢速原子快起来。如果脉冲之间的时间仍然为T,那么干涉时间就变为2T。波函数将重新叠和。与两路波函数相关联的几率幅度将发生干涉。物质波研究是现代物理学发展的前沿之一，是非常活跃的且正在迅速扩大的研究领域。利用原子物质波干涉测量重力加速度，以符合国家需要为应用前提而进行的前沿基础性研究，其研究成果将惠及许多研究领域和工程技术方面。其中涉及的一些方法如锁频锁相技术都是近年新出现的方法。完善并把这些方法应用于实际问题的解决，有着十分重要的意义。图1是三维冷原子阱的真空腔结构，是NIM自行设计的真空腔体结构，在国际上是首次采用。该结构在保证了激光束（1，1，1）方向斜入射的同时，兼顾了上下喷泉管和左右真空管道的连接。六束激光沿垂直方向对称斜入射，拉曼激光束沿垂直方向，横向连接真空管道。可以看出这样整体结构更加紧凑合理。图2是利用原子物质波干涉进行重力加速度测量的实验原理示意图。其中铷原子蒸汽通过二维磁光阱进行初步冷却后形成原子束，然后进入中心三维磁光阱。二维磁光阱的作用是通过冷却形成冷原子束流，以提高三维磁光阱的装载速度，从而达到提高总体测量速度的目的。在三维磁光阱形成形成冷原子后，冷原子作原子喷泉或自由下落运动。在原子喷泉或自由下落过程中，通过拉曼激光序列与冷原子的相互作用，完成对冷原子波包进行分束、反射、合束等过程。最后在探测区探测原子的干涉现象。图3是NIM自己设计的原子物质波干涉重力测量系统示意图。为缩小和简化示意图的尺寸，图中上喷泉管没有画出。三、高精度的重力测量体系与设备将为国家经济发展和预防各种灾害做出贡献在高新科技迅速发展的现代社会，重力测量的应用也愈来愈重要而广泛。我们知道地下矿藏或地下工程会影响当地的重力场分布，导弹或空间飞行器的飞行轨道会受重力场分布的影响。重力加速度g值的测定在计量科学、地震研究和预报、大气科学、海洋科学、地质勘探、资源普查、国防军事、航空航天、天文观测以及基础研究等领域有着广泛而深入的影响，对国民经济、国防建设乃至人们的日常生活都起着日益重要的作用。国家重力计量基标准体系的建立和完善对于国民经济的发展具有重要作用，“神州五号”、“神州六号”的上天、西气东输工程、南水北调工程、“三峡”工程、电力系统等等都离不开对重力量值的准确计量。质量基准千克原器是现有七个基准量中的唯一实物基准。材料的老化、受环境的影响等因素都会造成千克原器的不确定度的变化。经过多次的国际比对发现，千克原器的不确定都每次比对都有10-8量级的变化。此外实物基准也存在保存的困难。质量自然基准所复现的量是一个不随时间变化的恒量。随着现代测量技术的发展，要求复现的量的准确度会越来越高，质量实物基准已不能满足发展的需要，而质量自然基准已成为必然。实现质量自然基准的方法瓦特天平是目前最有前途的方案，也是国际计量局所推荐使用的方法。其原理是利用机械功率与电功率相等，把质量基准的定义通过重力加速度、约瑟夫森电压基准、量子化霍尔电阻基准与普朗克常数相联系。其中一个重要的参数就是重力加速度g值。国际计量局每四年举行一次绝对重力仪国际比对。由于目前大多数国家都用美国Micro-g公司生产的绝对重力仪，且仪器的原理方法基本一致，这样就很难辨别仪器存在的系统误差。用原子物质波干涉方式进行重力测量显然不同于传统绝对重力测量方法，它将有助于辨别传统绝对重力仪的系统误差，用它参加国际比对将会使比对更加有意义。同时，用原子物质波干涉绝对重力测量基准将会大大减少g值的测量误差，以提高质量基准的可靠性。高精度绝对重力测量和高精度的重力测量数据是许多科学研究领域和工程技术领域的必要研究手段和研究依据。导航卫星在设计的时候必须考虑到其姿态控制，使卫星发射导航信号的定向天线始终对地，国际上对低轨道导航卫星一般都采用重力场稳定。可利用岩石和矿物的密度与重力场的之间的内在联系来研究地质构造，地球绝对重力g值的高准确度测量对于地震、火山爆发等地壳变化过程的研究和预报以及地下异动的监测有着重要的意义。高精确度的绝对重力仪通过于其他研究测量方法相结合，为地震、海啸、火山爆发等重大自然灾害预报提供必要和可靠的监测设备和测量数据。可通过绝对重力值的测量，找到重力场异常区，从而进行石油、矿物质等资源的勘探和开发。对诸如大坝、山体滑坡、地下矿等附近的重力数据异动变化的监测，预防不必要的事故和损失。通过对绝对重力g值的测定可以观测和研究冰川的移动，海平面的升降和地下水位的变化。绝对重力g值的测量精确度的提高，为这些领域的科学研究和技术开发的发展和突破提供有效的支持。参考文献：1. “Atom Interferometry” Edited by Paul R. Berman Acadmic Press 19972. C. S. Weiss, B. C. Young, S. Chu “Precision measurement of based on photon recoil using laser-cooled atoms and atomic interferometry” Appl. Phys. B 59 217-253(1994)3. Peters, K. Y. Chung and S. Chu “High-precision gravity measurements using atom interferometry” Metrologia,2001,38,25-614. T. Petelski “Atom Interferometers for Precision Gravity Measurements” PhD Dissertation in Universita degi Studi di FirenzeHigh Precision Gravity Measurement with Atom Interferometry Ji Wangxi, Xu Jinyi, Wu Shuqing, Liu DalunNational Institute of Metrology, Electricity and Quantum Metrology Division(Bei San Huan Dong Lu 18#)Abstract: We report in this paper the on-going research of gravity measurement with atom interferometry in National Institute of Metrology (NIM)。We report the idea of the vacuum chamber design and the principle of the measurement with atom interferometer. Also we briefly introduce the application of atom interferometer and the gravity measurement.图1 磁光阱腔体结构示意图。上下一对通道分别接