自由电子下落测量重力加速度

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1、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Δgg≈3×10-9，

2、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Δgg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

3、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π2脉冲的定义为光脉冲，原子最初状态为

4、1，p>，特征是由内部状态

5、1>和动量p，成为一个平等的叠加原始状态

6、1，p>和第二状态；第二状态的特征是由内部状态

7、

8、2>和动量p+ℏk，记为

9、2，p+ℏk>。这里的ℏk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ℏkTM，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

10、1，p>部分跃迁为

11、2，p+ℏk>，处于

12、2，p+ℏk>的部分跃迁成

13、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π2脉冲可以将原子置于

14、1，p>和

15、2，p+ℏk>之一。早期的分析表明，干涉仪的两个路径之间的相位差：ΔΦ=（Φ1t1-Φ2t2）Γ1-（Φ2t2-Φ3（t3））Γ2在每个光脉冲的开头，处

16、于时间ti，位置zi的激光其相位是Φiti=kzi-ωti，ω是光的频率，Γi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

17、1，p>→

18、2，p+ℏk>的跃迁中保持共振。在这些条件下，我们已经知道ΔΦ=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

19、。我们已经分析了由于重力的复杂性。对恒重力梯度γ来讲，g的最低阶的修正量是：Δg=γ（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π2脉冲之前的自由振动。在我们的实验室，γ≈3×10-7gm-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5×108的铯原子是从背景低压蒸气中提取和加载到600ms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

20、到5mWcm-2.在发射的最后阶段，激光强度在400μs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1.5μK。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3×106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

21、持2ppb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