等效原理的原子干涉测试（AITEP）

原子干涉测量法使用原子的相干分裂和重组来精确测量环境参数，如重力、加速度、或磁场。该装置可设计用于通过同时发射不同质量的超冷原子（特别是${}^{85}{\rm{Rb}}$和${}^{87}{\rm{Rb}}$），并精确观测它们的自由落体运动来测试爱因斯坦的等效原理，其精度为${10^{ – 15}}{\rm{g}}$。这样的灵敏度可以让该装置在实验室环境中测试广义相对论，并且可以为将来测量引力波的实验提供平台。

介绍

在现代版的伽利略比萨斜塔比萨实验中，我们同时在一个10米高的塔中发射两种铷同位素（${}^{85}{\rm{Rb}}$和${}^{87}{\rm{Rb}}$）。以激光作为标尺，我们测量它们在由重力决定的轨迹中的位置。这种大型原子干涉仪的灵敏度使我们能够测量两种同位素的微小重力加速度，精度为${10^{ – 15}}{\rm{g}}$。

原子干涉测量

伽利略使用不同质量的球体对等效原理进行早期测试

原子干涉测量法非常类似于光学干涉测量法，其中分束器和反射镜的对应物由光脉冲来产生。扫描激光脉冲的参数（例如频率或相位）可以描绘其干扰模式，即上部和下部路径上累积的相位差异的变化。

阿波罗15号的戴夫斯科特在月球上放下一根羽毛和一把铁锤

AITEP干涉仪

AITEP干涉仪的特点包括：

原子干涉仪的轨迹。在时间t = 0时，π/ 2分束器脉冲将原子波包分成两部分。由于其与激光光子的相互作用，虚线状态接收动量T。时间T处的π镜像脉冲反转动量冲击。在时间2T，另一个分束器脉冲重新组合并干扰波包。

标准脉冲序列：布拉格，π/ 2 – π – π/ 2
磁屏蔽干涉仪长度：8.2m
波包的大分离：1 – 10cm
长干涉仪时间T（见上图）：1.3s

灵敏度

这种装置对两种铷同位素的重力加速度差异有多敏感？由于不同长度的上下路径，单个干涉仪的累积相位由三个询问时间的激光相位决定：
Δφ=φ（0） – 2φ（T）+φ（2T）= keff gT2≈3x 108 rad
其中ℏkeff是激光赋予原子的动量差。同时，最小的可测量相移是（每个干涉仪107个原子积累1个月）：
δφ~1/ N1 / 2~3×10-7rad
这导致对87Rb和85Rb之间的差分加速度的敏感性
（g87-g85）/g~δφ/Δφ~10-15
为了使用物理比较，这对应于检测约1米外的一罐苏打的重力吸引力。

实验步骤

实验人员搭建的平台发射和检测原子的步骤如下

2D磁光阱（MOT）加载具有冷原子的3D MOT
原子在两个阶段进一步冷却至~50 nK（蒸发后膨胀）
原子被发射到一个10米的真空管中，周围是偏置电磁阀和3层磁屏蔽
通过干涉仪脉冲序列访问原子
原子图像用于测量结果相
不同的干涉仪相位重复实验以扫描条纹图案

AITEP设备的型号

未来工作

提出的原子引力波传感器的模型

测试广义相对论

爱因斯坦的等价原理是他发展广义相对论（GR）的起点。对GR的有效性的测试包括测量水星和月球的轨道以及通过重力观察光的透镜。但由于测量偏离牛顿引力定律所需的精度，这些测试通常需要一个天体。凭借我们设备的灵敏度，我们将能够在受控环境中看到GR的影响。
例如，考虑爱因斯坦的质能方程E = mc2。通过这种关系，运动中原子的动能相当于一点额外的质量。这个额外的质量稍微改变了原子相进化的速率。对于基于当前设备的参数，相变的大小在10-14的部分水平，这在我们的设计灵敏度范围内。

测量引力波

重力波是由在太空中快速振荡的大质量产生的。这种波的来源包括涉及白矮星，中子起点和黑洞组合的二元系统 – 其中许多很难用电磁方法观察。此外，由于引力波不受最后散射表面的限制，这限制了电磁波谱可以获得的最早时间，因此它们可以提供早期宇宙的独特图像。原子干涉仪测量重力引起的局部加速度。两个空间分离的原子会因重力波而感觉到不同的时变加速度。使用两个大距离分开的原子干涉仪，我们可以通过测量加速度的这种差异来检测重力波。该对的灵敏度取决于干涉仪L之间的距离和干涉仪的面积（由动量分裂键区确定）和询问时间T.通常，每个干涉仪的T越长，频率越低可以检测到。对于地面探测器，两个干涉仪之间的距离可以是几千米。每端的干涉仪长度为10米，就像我们现有的设备一样。在太空中，不仅可以更容易地制造100米干涉仪，而且还可以将干涉仪分开数千公里，从而提高灵敏度。在这两种情况下，我们都可以利用先进的原子光学器件，例如大动量分束器，这会增加keff。由于灵敏度与LISA和LIGO互补，原子干涉仪探测器是测量重力波的仪器的一个令人兴奋的补充。

原文：Link

翻译：江流儿

校对：Q#