1、利用原子物質波干涉進行高精度重力加速度測量吉望西 徐進義 吳書清 劉達倫中國計量科學研究院 電學與量子計量科學研究所（北京 北三環東路18#，100013）摘要：本文報告了中國計量科學研究院正在開展的原子物質波干涉絕對重力測量課題所采用的利用原子物質波干涉進行重力測量的原理和方法。介紹了真空腔的設計思想，并簡單介紹了原子物質波干涉和高精度絕對重力測量的應用前景。關鍵詞：原子物質波干涉，重力測量，rb一、引言電磁輻射和物質都表現出波動的特性。電磁輻射的波動性通常通過楊氏雙縫產生干涉條紋或麥克爾遜干涉儀來觀測。物質的波動性則通過電子或粒子衍射實驗進行研究。雖然描述電磁輻射的麥克斯韋爾方程和描述物質

2、波的薛定諤方程在形式上不一樣，但是其波動的特性卻是十分相似的。光學干涉儀通常由分束器把入射光分成兩束或多束相干光，然后再合束形成干涉。電磁輻射和物質波的干涉儀具有相同的原理結構。唯一不同的是物質波的波長要小100-1000倍。在德布羅意1924年提出物質的波動性后不久，在1930年estermann等人就觀察到晶體表面散射原子產生的物質波衍射。隨后就出現了中子和電子的物質波干涉儀1。到上世紀末有關原子物質波干涉的研究有了重要的發展。出現了多種多樣的原子物質波干涉實驗裝置。并且首次利用原子物質波干涉進行了重力測量。原子物質波干涉的重要性已有許多深入的討論，原子物質波干涉由于原子豐富的內能級結構和

3、原子特性（如質量、磁矩、吸收頻率、自旋等），可以提供許多原子物質波干涉的形式和種類。光學干涉儀是傳統光學中非常有效和實用的方法和工具。除了高精度的波長測量外，光干涉儀還用來進行物理基礎研究。原子物質波干涉提供了新的非常先進的測量方法。如高精度重力加速度的測量、加速度測量、頻率標準以及方向性的測量等。由于原子豐富的內能結構和具有質量的特點，可以重新對基本物理原理進行實驗研究，從而對量子理論中的一些哲學爭論提供實驗證據。如量子系統測量過程中相干性的退相干性問題和廣義相對論等效原理的驗證等。原子物質波干涉的發展激發了量子光學和原子物理中一些新課題的研究，開拓了基礎研究和應用研究的新領域。除了在量子物

4、理基礎研究中的應用外，原子物質波干涉儀的高精度和高分辨率也使其研究動力的一個主要方面。原子物質波干涉儀可以比傳統光干涉儀提高幾個量級，也可以研究更為復雜的拓撲和幾何相系統、多粒子糾纏等。同時，原子物質波干涉技術作為一種強有力的精確測量手段具有很大的應用潛力。原子物質波干涉儀可以用于測量各種勢場、加速度變化；也可以用于原子導航、原子物理常數（如原子超精細常數、普朗克常數等1，2）的測量等。二、利用冷原子物質波干涉進行重力加速的測量的基本思路利用冷原子物質波干涉進行重力加速度測量研究的最終目標建立新一代高精度的原子物質波干涉重力測量基標準體系和共享平臺，提高我國重力計量水平和計量服務能力，以滿足新

5、時期國家對重力計量工作的迫切需要。提供高精度的原子物質波干涉重力測量基標準系統和測量設備，參與規范國際關鍵性比對和國際區域比對的規程。利用拉曼激光脈沖序列與原子在特定時間的相互作用從而實現原子物質波干涉。具體過程如下3,4：假設一個兩能態原子，初始處于低能態，本振提供接近于原子共振躍遷頻率為res的頻率lo.第一個振蕩脈沖把原子激發至兩能態的疊加態。在時間t之間，原子波函數以頻率res隨時間演化。假設對原子進行第二次振蕩脈沖作用，原子的終態將取決于兩次振蕩的相對相位，如果同相位則原子激發至高能態，若相差則原子回到低能態。假設res=lo，原子沿重力線運動，脈沖振蕩波矢與重力線疊合，則在重力場作

6、用下形成的相位差為。由此可以看出，可以通過確定的k和t測量相位差來決定g。對于rb元素來講基態頻差為6.8ghz，其波矢并不很大，為了增加提高測量精確度，可采用雙光子拉曼躍遷。采用相對傳輸的拉曼光束，原子將從一束光中吸收一個光子，然后受另一束光的激發輻射。這樣有效波矢將處于光頻范圍。從而使得信號得以放大，信噪比提高，測量精確度得以大幅度提高，提高大約4-5個量級。由于在拉曼過程中有較大的動量轉換，高能態原子將偏離原空間軌道，在飛行時間t后，波函數可能不再疊合，所以需要在兩個干涉脈沖之間引入另外一個脈沖來改變原子運行軌道。簡單地說就是使快速原子慢下來，使慢速原子快起來。如果脈沖之間的時間仍然為t

7、,那么干涉時間就變為2t。波函數將重新疊和。與兩路波函數相關聯的幾率幅度將發生干涉。物質波研究是現代物理學發展的前沿之一，是非常活躍的且正在迅速擴大的研究領域。利用原子物質波干涉測量重力加速度，以符合國家需要為應用前提而進行的前沿基礎性研究，其研究成果將惠及許多研究領域和工程技術方面。其中涉及的一些方法如鎖頻鎖相技術都是近年新出現的方法。完善并把這些方法應用于實際問題的解決，有著十分重要的意義。圖1是三維冷原子阱的真空腔結構，是nim自行設計的真空腔體結構，在國際上是首次采用。該結構在保證了激光束（1，1，1）方向斜入射的同時，兼顧了上下噴泉管和左右真空管道的連接。六束激光沿垂直方向對稱斜入射

8、，拉曼激光束沿垂直方向，橫向連接真空管道。可以看出這樣整體結構更加緊湊合理。圖2是利用原子物質波干涉進行重力加速度測量的實驗原理示意圖。其中銣原子蒸汽通過二維磁光阱進行初步冷卻后形成原子束，然后進入中心三維磁光阱。二維磁光阱的作用是通過冷卻形成冷原子束流，以提高三維磁光阱的裝載速度，從而達到提高總體測量速度的目的。在三維磁光阱形成形成冷原子后，冷原子作原子噴泉或自由下落運動。在原子噴泉或自由下落過程中，通過拉曼激光序列與冷原子的相互作用，完成對冷原子波包進行分束、反射、合束等過程。最后在探測區探測原子的干涉現象。圖3是nim自己設計的原子物質波干涉重力測量系統示意圖。為縮小和簡化示意圖的尺寸，

9、圖中上噴泉管沒有畫出。三、高精度的重力測量體系與設備將為國家經濟發展和預防各種災害做出貢獻在高新科技迅速發展的現代社會，重力測量的應用也愈來愈重要而廣泛。我們知道地下礦藏或地下工程會影響當地的重力場分布，導彈或空間飛行器的飛行軌道會受重力場分布的影響。重力加速度g值的測定在計量科學、地震研究和預報、大氣科學、海洋科學、地質勘探、資源普查、國防軍事、航空航天、天文觀測以及基礎研究等領域有著廣泛而深入的影響，對國民經濟、國防建設乃至人們的日常生活都起著日益重要的作用。國家重力計量基標準體系的建立和完善對于國民經濟的發展具有重要作用，“神州五號”、“神州六號”的上天、西氣東輸工程、南水北調工程、“三

10、峽”工程、電力系統等等都離不開對重力量值的準確計量。質量基準千克原器是現有七個基準量中的唯一實物基準。材料的老化、受環境的影響等因素都會造成千克原器的不確定度的變化。經過多次的國際比對發現，千克原器的不確定都每次比對都有10-8量級的變化。此外實物基準也存在保存的困難。質量自然基準所復現的量是一個不隨時間變化的恒量。隨著現代測量技術的發展，要求復現的量的準確度會越來越高，質量實物基準已不能滿足發展的需要，而質量自然基準已成為必然。實現質量自然基準的方法瓦特天平是目前最有前途的方案，也是國際計量局所推薦使用的方法。其原理是利用機械功率與電功率相等，把質量基準的定義通過重力加速度、約瑟夫森電壓基準

11、、量子化霍爾電阻基準與普朗克常數相聯系。其中一個重要的參數就是重力加速度g值。國際計量局每四年舉行一次絕對重力儀國際比對。由于目前大多數國家都用美國micro-g公司生產的絕對重力儀，且儀器的原理方法基本一致，這樣就很難辨別儀器存在的系統誤差。用原子物質波干涉方式進行重力測量顯然不同于傳統絕對重力測量方法，它將有助于辨別傳統絕對重力儀的系統誤差，用它參加國際比對將會使比對更加有意義。同時，用原子物質波干涉絕對重力測量基準將會大大減少g值的測量誤差，以提高質量基準的可靠性。高精度絕對重力測量和高精度的重力測量數據是許多科學研究領域和工程技術領域的必要研究手段和研究依據。導航衛星在設計的時候必須考

12、慮到其姿態控制，使衛星發射導航信號的定向天線始終對地，國際上對低軌道導航衛星一般都采用重力場穩定。可利用巖石和礦物的密度與重力場的之間的內在聯系來研究地質構造，地球絕對重力g值的高準確度測量對于地震、火山爆發等地殼變化過程的研究和預報以及地下異動的監測有著重要的意義。高精確度的絕對重力儀通過于其他研究測量方法相結合，為地震、海嘯、火山爆發等重大自然災害預報提供必要和可靠的監測設備和測量數據。可通過絕對重力值的測量，找到重力場異常區，從而進行石油、礦物質等資源的勘探和開發。對諸如大壩、山體滑坡、地下礦等附近的重力數據異動變化的監測，預防不必要的事故和損失。通過對絕對重力g值的測定可以觀測和研究冰

13、川的移動，海平面的升降和地下水位的變化。絕對重力g值的測量精確度的提高，為這些領域的科學研究和技術開發的發展和突破提供有效的支持。參考文獻：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(

14、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 int

15、erferometry 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.圖1 磁光阱腔體結構示意圖。上下一對通道分別接