创建 Rb 光晶格 从 LG20和 LG28λ = 795 nm 的激光模式和相应的 w 高斯束腰0,1= 5.78 μm 和 w0,2= 9.66 微米， 和 P 的幂1= 5.38 mW 和 P2= 17.78 毫瓦。这 假设光束是蓝色失谐的，交流极化率为 −0.16 Hz/（V/m）2.（a） r−z 中的光势 飞机。（b） 横向平面上的光势 焦点 z = 0。（c） z = 0 时沿径向的电位 和 θ = 0 和 π/8。（d） R = 25.46 μm 和 z = 0 处沿方位方向的电势。

原子干涉仪是一种量子传感器，它利用原子的波状特性来以极高的精度测量重力、加速度和旋转。

目前的原子干涉仪大多是大型仪器，占用建筑物，需要高达数十米的塔架。现在，密歇根大学的物理学家开发了一种量子旋转传感器的设计，其核心尺寸几乎是人眼看不见的。

据主要作者、密歇根大学博士生 Bineet Dash 称，概念验证设计可能有助于将基于原子干涉仪的量子传感器从实验室推向世界。

Dash 说，科学家们可以使用原子干涉仪进行各种任务，从不断寻找引力波引起的宇宙结构中的微小涟漪，到了解南极洲冰盖融化引起的地球引力的微小局部变化。但由于它们的尺寸，原子干涉仪通常受制于实验室设置。目前，最灵敏的原子干涉仪使用建筑物内的高塔将原子束射出数十米，以收集信息。

由 Dash 和 UM 物理学家 Georg Raithel 的实验室开发的新设计使用一种特殊的激光束，将原子捕获在风车形几何形状中，该几何形状可以从小于人类头发直径的 30 微米半径缩放到大约 10 倍，约 300 微米。研究人员的设计发表在《AVS 量子科学》杂志上。

“这种干涉仪并不是对其他地方开发的现有设计的增量改进，”Dash 说。“这是基于我们小组在 2021 年提出的一种完全不同的方法。”

目前，研究人员经常使用基于激光波干涉的干涉仪。Dash 说，在天体物理学中，这种光学干涉仪被用来探测引力波。在惯性导航中，光学干涉仪用于测量飞机、轮船和卫星的旋转。

“人们经常说，已经有一种传感器可以与光一起工作。为什么我们需要开发一种使用量子力学的传感器？“Dash 说。“一个主要的动机是，在相同条件下，原子干涉仪的灵敏度可能比光学干涉仪高几个数量级。”

基于光干涉仪的旋转传感器使用所谓的 Sagnac 效应。法国物理学家乔治·萨格纳克 （Georges Sagnac） 发现光可以用来测量旋转：如果你围绕旋转的物体发送光，然后发送另一束与旋转相反的光流，光波就会重叠。但是这些光波相互“干涉”，并开始显示出它们行进路径的差异。这种差异可以用来测量旋转速度。

原子干涉旋转传感器基于相同的概念。根据量子力学，原子是粒子，但它们的行为也像波。根据 Dash 的说法，因为它们的波长比光的波长小得多，所以它们比光干涉仪可以进行更准确、更灵敏的旋转测量。

但是，除了尺寸大之外，大多数现有原子干涉仪的运行方式也给它们在实验室外的使用带来了问题。Dash 说，原子使用激光脉冲以不同的路径被射入实验室塔内的真空中。一个原子路径比另一个原子路径更高，然后它们在底部相遇。它们相遇之间的延迟提供了有关后台加速的信息。

当原子松散地进入自由空间时，它们会分散，而当它们分散时，信息就会丢失。在某个时候，原子会分散到足以丢失所有信息。尽管原子流是一起发射的，但许多原子不会相遇，这会导致更多的信息丢失。

2021 年，Raithel 的实验室（Dash 是该实验室的学生）使用“光晶格”的想法试图缩小原子干涉仪的尺寸。当两个沿相反方向移动的激光束交叉路径时，就会产生光格，从而产生光网格。Dash 说，在适当的条件下，原子可以被困在光栅的最小值处，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。光晶格使原子保持受限，并允许实验人员将原子引导到预定的路径上，这些路径肯定会再次相遇。

2021 年的研究表明，通过仔细调整激光参数，不同量子态的原子可以被困在单独的晶格中。使用激光脉冲，研究人员可以制作被困在两个这样的光晶格中的状态的量子叠加。沿相反方向移动这两个晶格会在两个原子流之间产生滞后，然后可以使用它来读取背景加速度。

但 2021 年的设计只沿直线来回发送原子，这不适合旋转感应。

在目前的研究中，Raithel 的实验室设计了一种使用特殊激光束的方法，该激光束以角度模式而不是线性驻波模式发送原子。

“它看起来像一个风车，通过稍微改变激光频率，可以改变风车的速度，”Dash 说。“在预定的旋转时间之后，风车之间会出现滞后，我们可以利用这个滞后来计算背景旋转。”

Dash 说，虽然该论文描述了概念验证设计，但 Raithel 实验室目前正在进行一项原型实验，该实验利用 Bose 凝聚冷原子源。

“目前的原子干涉仪非常适合基础物理学，但它们很重、功率密集、占用大量空间，而且基本上由于它们的几何足迹，它们实际上没有用，”Dash 说。

“我们的研究是关于原型开发的。但这是一种非常通用的技术，可以适用于惯性导航和重力测绘等实际应用，以及基础物理学的研究。

更多信息：Bineet Dash 等人，使用拖拉机原子干涉测量法进行旋转传感，AVS 量子科学（2024 年）。DOI：10.1116/5.0175802.在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2309.06324

期刊信息： AVS Quantum Science ， arXiv