A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

为了以极高的精度测量世界，科学家们经常转向原子。通过将原子云冷却到几乎像随风飘落的叶子一样缓慢移动的状态，研究人员可以将它们视为光波。这些物质波可以被分裂、沿着不同的路径发送，然后重新组合，从而揭示重力、旋转或时间最微小的变化。这一过程的关键在于用于推动原子的激光光束。为了获得最灵敏的测量，科学家需要用一束强而均匀、覆盖范围广泛的光来推动这些原子。然而，制造这样的光束非常困难，因为光在传播过程中往往会扩散并随着距离增加而减弱。为了解决这个问题，科学家使用了光学谐振腔，这本质上是利用镜面捕捉光并使其来回反射以增强强度的装置。虽然这些谐振腔功能强大，但它们通常只适用于非常特定且窄小的光束，因此并不适合进行最灵敏实验所需的宽大原子云。

一个研究小组发现了一种巧妙的方法，可以将这些宽光束谐振腔的一个主要缺陷转化为有用的工具。在他们的实验中，他们使用了一种被称为“边缘稳定谐振器”的特殊镜面设置。虽然这些设置可以支持大面积光束，但它们存在一个缺陷：镜面的缺陷和对准问题会导致内部光线形成一系列圆环，而不是一个单一的实心点。此外，这些圆环的大小会随着所使用的激光颜色（即频率）的变化而改变。在过去，这种行为被视为限制了可以使用多少原子云的难题。研究人员意识到，与其对抗这种效应，不如利用它。通过在一定范围内快速扫描激光频率，他们可以让明亮的圆环生长和缩小，从而有效地扫描整个原子云。

该团队使用冷却到仅 2.5 微开尔文温度的铷原子云测试了这个想法。他们将这团原子云垂直发射到空中，并等待其到达飞行顶点——在那里，它的运动速度非常缓慢。此时，他们发射一个激光脉冲来分裂并重新组合原子波。在传统的设置中，如果保持激光频率恒定，光只会与原子云中心极小部分的原子发生高效相互作用，而留下其余部分不受影响。这导致效率非常低，只有大约 5% 的原子成功转移到目标状态。相比之下，当研究人员在共振期间扫描激光频率并仔细调节光束亮度时，相互作用变得均匀。移动的圆环光束扫描了整个 15.6 毫米宽的原子云，确保云的每一部分都受到了同样的推动。

这种策略上的简单改变产生了显著的改进。将原子转移到新状态的效率从 5% 大幅跃升至 28%。考虑到原子云比谐振腔内自然光束的尺寸要宽得多，这是一个显著的增益。研究人员之所以能实现这一点，是因为他们补偿了光在腔体边缘自然较暗的事实；他们通过塑造脉冲形状，使得边缘处的原子接收到的能量与中心处一样多。其结果是一个覆盖了整个原子云的近乎均匀的相互作用区域，这在静态激光束下是不可能实现的。

除了更高效地移动原子外，该团队还证明了这种扫描方法能够保留干涉测量所需的精细量子特性。他们构建了一个三脉冲干涉仪，这种设备会将原子波分裂，让它们旅行一小段时间，然后将它们重新汇聚，以测量它们路径之间的差异。利用他们经过“啁啾”（即频率扫描）处理的脉冲，他们成功创建了一个干涉图样，这是证明原子表现为相干波的信号。信号显示对比度为 24%，表明原子在整个过程中保持着步调一致。这证明了尽管光在相互作用过程中在移动并改变形状，但扫描技术并不会破坏量子信息。

研究人员指出，随着脉冲之间间隔时间的增加，信号略有减弱，这可能是由于设备中的微小振动导致镜面之间发生了相对位移。然而，他们相信通过更好的稳定技术可以管理这些问题。这项工作确立了动态激发这些特殊谐振腔是构建大面积原子干涉仪的一条可行路径。通过将空间缺陷转变为扫描资源，该团队为使用这些强大的光阱进行比以往认为的更大、更灵敏的测量打开了大门。这种方法最终可能导致开发出用于绘制地球重力图或以空前清晰度测试基本物理定律的新工具。