来自美国的研究人员开发了一种不需要把温度降低到冷冻状态下的原子干涉仪。这种新设备代替了一个暖蒸气电池。当设备不在需要笨重的冷却装置的情况下,意味着该设备可用于实现简单的原子传感器设计,这包括了一系列潜在的应用功能,包括实现精度非常高的加速度测量。 原子干涉仪依赖于物质粒子具有波状性质的事实。像光学干涉仪一样,它们测量分裂光束的两个半部分沿着不同的路径发出的干涉条纹,然后重新组合。这种技术不是用物质组成的部件来分裂和反射光束,相反,它们通常使用激光束来操纵物质的光束。 原子干涉仪比光学干涉仪更灵敏,因为它们测量的物质波比光速慢得多。这意味着波的相位在较长的时间内变化。这使得它们成为高精度测量的理想选择,如寻找精细结构常数的变化或测试等效原理。它们也用于惯性传感器,使位置或旋转得到非常精确的测量。 所谓的光脉冲原子干涉涉及到要冷却原子集合低至百万分之几的开尔文温度下。寒冷的条件下才能减少原子的速度范围,从而增加在干涉仪的输出信号,并保持原子更紧密地一起,以最大限度地提高精度。但是,要做到这一点,多需要的激光器和真空室体积是特别大的,最小的(移动)系统其体积也约为1立方米。这种设备也很难操作,因为它们需要进行微调,且必须保持稳定。 在最近的工作中,Grant Biedermann和他的同事在新墨西哥州桑迪亚国家实验室中采用不同的方法包括在一个10厘米长的盒子内保持在39摄氏度下的铷原子蒸汽。这个想法是减少原子的速度传播不是通过限制它们作为一个整体的热能,而是通过选择两个具有非常好的速度精度下的子集的原子。研究人员使用两个反向传播的拉曼激光器,首先激发具有相反速度的子集,然后“激发”它们沿着不同的轨迹运动创建干涉仪。 作为Sandia研究小组已发表在《物理评论快报》杂志上的这项研究的评论,法国巴黎天文台的Carlos Garrido Alzar将这种技术类比光学干涉法。他说,现有的原子装置,就像一个激光器,一个连贯的光源,而使用一个温暖的蒸汽就像“利用普通灯泡中搜索白色非相干光的干涉效应”。 为了进行实验,研究人员不得不克服一些技术障碍。其中之一是如何在它们的蒸气电池中制备原子态。原子如果要适当地干涉,就需要自旋极化,但是当它们从表面上产生的电磁场反弹时,它们的自旋就会被翻转。为了解决这个问题,研究人员用一种特殊的涂层覆盖实验盒子的壁。 另一个主要的挑战是对准弱激光束被用来检测干涉条纹与更强大的激光用于创建干涉仪,使得两个速度子集内的原子重叠正确。“如果真的发生在3D维度上,角度是至关重要的,”Biedermann说。“因此,这是一个光学角度对准技巧的研究问题。” 该方案对于物质波沿干涉仪的两个臂之间的移动时的相位差的灵敏度是有限的,因为热原子穿过拉曼激光束所需的时间是很短的。由于只有29 微秒的渡越时间,加速度灵敏度约为五个数量级或壁如今利用冷原子所实现的干涉仪的灵敏度更低。然而,Garrido Alzar认为,新方案有“两个重要的优势”,与传统设备相比。他说,这是一个事实,即它所获得的传感数据速度要快约10000倍。另一个是它能够测量更宽范围的加速度。 快速检测 美国斯坦福大学的Mark Kasevich说,这需要高功率的激光干涉仪“这在实际中的应用可能是具有挑战性的。但他认为该方案的快速操作可以用来为证明惯性传感器提供了指南。 意大利佛罗伦萨大学的Guglielmo Tino也认为,新的研究带来了希望。“公布的结果仍然是非常初步的,取得的灵敏度是相当低的,但它将是有趣的,很期待这种方法优化之后会怎么样,”他说。“它可能会实现多种原子传感器应用的简化。” 还会涉及利用原子干涉测量“质量下降”的等效原理等更多的问题。 |





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