BR102015007944A2 - DEVICE AND METHOD FOR GRAVITATIONAL ACCELERATION MEASUREMENT - Google Patents
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Abstract
dispositivo e método para medida da aceleração gravitacional. a presente invenção refere-se a dispositivo e método, em especial a um gravímetro baseado em interferometria atômica, no qual os átomos são resfriados até uma temperatura em que formam uma onda de matéria coerente e depois são transferidos dentro de uma onda estacionária vertical de luz quase-ressonante com uma transição atômica. os átomos são colocados dentro de uma cavidade óptica anular (23) bombeada em uma direção por um feixe laser (18) e executam oscilações de bloch, cuja frequência é estritamente proporcional à aceleração gravitacional. o método compreende as etapas de: a) preparar um feixe de átomos frios; b) capturar este feixe atômico por uma armadilha magneto-óptica operada numa transição atômica larga e resfriá-lo para temperaturas em torno de 5 mk; c) resfriar os átomos ainda mais por uma armadilha magneto-óptica operada numa transição atômica fina para temperaturas em torno de 300 nk; d) transferir a onda de matéria para onda estacionária de luz; e) incitar os átomos a executar oscilações de bloch devido à aceleração gravitacional; f) injetar um laser bombeando um modo da cavidade anular e g) medir continuamente e ao vivo o movimento da onda de matéria. o dispositivo e método propostos também levam à estabilização da periodicidade do seu movimento. o monitoramento contínuo e a estabilização das oscilações de bloch levam ao aumento da precisão da medida.device and method for measuring gravitational acceleration. The present invention relates to a device and method, in particular to an atomic interferometry-based gravimeter, in which atoms are cooled to a temperature at which they form a wave of coherent matter and then transferred into a vertical standing wave of light. quasi-resonant with an atomic transition. atoms are placed within an annular optical cavity (23) pumped in one direction by a laser beam (18) and perform bloch oscillations, the frequency of which is strictly proportional to gravitational acceleration. The method comprises the steps of: a) preparing a beam of cold atoms; b) capture this atomic beam by a magneto-optical trap operated on a wide atomic transition and cool it to temperatures around 5 mk; c) further cooling atoms by a magneto-optical trap operated at a fine atomic transition to temperatures around 300 nk; d) transfer the wave of matter to stationary light wave; e) inciting atoms to perform bloch oscillations due to gravitational acceleration; f) inject a laser pumping a ring cavity mode and g) continuously and live measure the motion of the matter wave. The proposed device and method also lead to stabilization of the periodicity of its movement. Continuous monitoring and stabilization of bloch oscillations leads to increased measurement accuracy.
Description
“DISPOSITIVO E MÉTODO PARA MEDIDA DA ACELERAÇÃO GRAVITACIONAL” Campo da invenção [1] A presente invenção refere-se a dispositivo e método, em especial a um gravímetro baseado em interferometria atômica com monitoramento contínuo e estabilização ativa, para utilização nas áreas de Física, Química, Engenharia, Geografia e Geologia, visando à medida da aceleração gravitacional.Field of the Invention [1] The present invention relates to a device and method, in particular to an atomic interferometry-based gravimeter with continuous monitoring and active stabilization, for use in the fields of physics, Chemistry, Engineering, Geography and Geology, aiming at the measurement of gravitational acceleration.
Fundamentos da invenção e estado da técnica [2] Gravímetros são dispositivos que medem a atração gravitacional terrestre. A precisão impressionante de gravímetros contemporâneos faz com que se tornem ferramentas úteis para uma ampla gama de aplicações na indústria e em pesquisas fundamentais. As aplicações incluem: - levantamento gravimétrico de alta precisão ao longo de linhas sísmicas; - identificação de estruturas geológicas com reservas de petróleo e gás; - identificação e mapeamento de zonas e falhas metamórficas; - monitoramento da segurança geodinâmica de depósitos de hidrocarbonetos; - monitoramento de ondas de maré.Background of the Invention and State of the Art [2] Gravimeters are devices that measure the gravitational pull of the earth. The impressive accuracy of contemporary gravimeters makes them useful tools for a wide range of industry and fundamental research applications. Applications include: - high precision gravimetric survey along seismic lines; - Identification of geological structures with oil and gas reserves; - identification and mapping of zones and metamorphic faults; - monitoring of geodynamic safety of hydrocarbon deposits; - tidal wave monitoring.
[3] Aplicações industriais: Uma das aplicações mais interessante de sensores gravitacionais é a gradiometria de gravidade. Essa técnica permite a medição de deformações locais do potencial gravitacional homogêneo da Terra e tem aplicações interessantes incluindo a detecção de concentrações de massas escondidas (ou de ausência delas), isto é, subterrânea ou subaquática. Por exemplo, enterrados embaixo de estradas públicas, sensores gravitacionais poderíam servir para pesagem de caminhões.[3] Industrial applications: One of the most interesting applications of gravitational sensors is gravity gradiometry. This technique allows the measurement of local deformations of Earth's homogeneous gravitational potential and has interesting applications including the detection of (or lack of) hidden mass concentrations, ie underground or underwater. For example, buried under public roads, gravitational sensors could be used to weigh trucks.
[4] Na engenharia civil, eles seriam úteis para detecção de cavernas escondidas, de obstáculos no chão ou de sítios de interesse arqueológico, reduzindo os riscos de danificar infraestrutura enterrada existente. Grande parte desta infraestrutura é desconhecida e mesmo quando aparece em registros legais, está muitas vezes posicionada erroneamente. Assim, no Reino Unido estima-se que quatro milhões de buracos são cavados nas ruas cada ano, sem encontrar a infraestrutura a qual se destina, causando inconveniência pública e custos desnecessários.[4] In civil engineering, they would be useful for detecting hidden caves, ground obstacles or archaeological sites, reducing the risk of damaging existing buried infrastructure. Much of this infrastructure is unknown, and even when it appears in legal records, it is often misplaced. Thus, in the UK it is estimated that four million holes are dug in the streets each year, without finding the infrastructure it is intended for, causing public inconvenience and unnecessary costs.
[5] Também, sensores gravitacionais são importantes na prospecção não invasiva de campos petrolíferos, reservatórios de gás e depósitos minerais. Com sensibilidades melhoradas eles permitirão uma melhor utilização dos reservatórios atuais. Atualmente, a exploração está limitada a no máximo 40% do total devido a uma falta de conhecimento de como a água bombeada para o chão irá empurrar o óleo em poços vizinhos deixando manchas de óleo nas rochas.[5] Also, gravitational sensors are important in noninvasive prospecting of oil fields, gas reservoirs and mineral deposits. With improved sensitivities they will allow better utilization of current reservoirs. Exploration is currently limited to a maximum of 40% of the total due to a lack of knowledge of how water pumped to the ground will push oil into neighboring wells leaving oil slicks on the rocks.
[6] Gravímetros por interferometria atômica: A invenção na década de 1980 de técnicas permitindo o aprisionamento de nuvens atômicas e do seu resfriamento por laser até temperaturas extremamente baixas, iniciou o desenvolvimento da interferometria de onda de matéria atômica. De fato, para temperaturas abaixo de alguns 100 nanoKelvin, nuvens de átomos formam uma onda de matéria caracterizada por seu comprimento de onda de Broglie. Em analogia com interferômetros ópticos, ondas de matéria podem ser divididas, refletidas e recombinadas por pulsos de laser transferindo momento para uma parte da onda de matéria, produzindo assim sinais de interferência. Esquemas diferentes foram usados. Por exemplo, sequências de pulsos de laser de tipo Ramsey, são a base de interferômetros atômicos de tipo Mach-Zehnder ou de Ramsey-Bordé. Expondo um tal interferômetro à aceleração gravitacional, medindo a interferência da onda de matéria, o dispositivo pode ser usado como gravímetro [1], Medições de gravidade com sensibilidades da ordem de 2*10"8m/s2 em tempos de integração de 1 s e precisões em torno de 4*10“9 m/s2 foram obtidas [2], Gradientes de gravidade têm sido medidas com sensibilidade de 4*1(Γ8 m/s2 em 1 s de tempo de integração. Precisões mais altas podem ser alcançadas com maiores tempos de integração.[6] Atomic interferometry gravimeters: The invention in the 1980s of techniques allowing the trapping of atomic clouds and their laser cooling to extremely low temperatures initiated the development of atomic matter wave interferometry. In fact, at temperatures below 100 nanoKelvin, clouds of atoms form a wave of matter characterized by its Broglie wavelength. In analogy with optical interferometers, matter waves can be divided, reflected and recombined by laser pulses transferring momentum to a part of the matter wave, thus producing interference signals. Different schemes were used. For example, Ramsey-type laser pulse sequences are the basis of Mach-Zehnder or Ramsey-Bordé atomic interferometers. By exposing such an interferometer to gravitational acceleration by measuring matter wave interference, the device can be used as a gravimeter [1], Gravity measurements with sensitivities of the order of 2 * 10 "8m / s2 at integration times of 1 s and accuracies. around 4 * 10 “9 m / s2 were obtained [2], Gravity gradients have been measured with 4 * 1 sensitivity (Γ8 m / s2 at 1 s integration time. Higher accuracy can be achieved with higher integration times.
[7] Aplicação de gravímetros atômicos: Essas novas técnicas de interferometria atômica são interessantes tanto para pesquisa fundamental quanto para muitas aplicações práticas, incluindo geodésia, metrologia, engenharia de prospecção ou para prestação de auxílio de navegação em submarinos [3,4], Medições tão precisas têm repercussões importantes em aplicações geofísicas, incluindo a previsão de terremotos [5], estudos do aquecimento global e a medição de microgravidade em torres de queda e no espaço. Interferometria atômica é usada para medições precisas da aceleração gravitacional [1,6,7], de gradientes de gravidade no campo gravitacional da Terra [8,9] e em giroscópios [10,11], Sistemas transportáveis estão sendo desenvolvidos com desempenho similar para futuros experimentos no espaço [12].[7] Atomic Gravity Application: These new atomic interferometry techniques are interesting for both fundamental research and many practical applications, including geodesy, metrology, prospecting engineering, or submarine navigation aids [3,4], Measurements Such accurate measurements have important repercussions on geophysical applications, including earthquake prediction [5], global warming studies, and microgravity measurement in falling towers and space. Atomic interferometry is used for accurate measurements of gravitational acceleration [1,6,7], gravity gradients in the earth's gravitational field [8,9] and gyros [10,11]. Transportable systems are being developed with similar performance to future experiments in space [12].
[8] Em gravímetros tradicionais, uma massa de ensaio está elevada no campo de gravitação, então, mede-se a aceleração gravitacional, antes de deixá-la cair, o que leva um certo tempo. Para evitar que este procedimento limite o tempo de integração dos sinais úteis, foram inventadas técnicas permitindo reciclar rapidamente a massa de ensaio. No caso de ondas de matéria, a técnica mais promissora é a observação das oscilações de Bloch executadas por átomos localizados dentro de um potencial periódico unidimensional vertical gerado por dois feixes de laser contrapropagantes.[8] In traditional gravimeters, a test mass is high in the gravity field, so gravitational acceleration is measured before dropping it, which takes some time. In order to prevent this procedure from limiting the integration time of useful signals, techniques have been invented to rapidly recycle the test mass. In the case of matter waves, the most promising technique is the observation of Bloch oscillations performed by atoms located within a vertical one-dimensional periodic potential generated by two counter-propagating laser beams.
[9] Oscilações de Bloch: A ideia subjacente às oscilações de Bloch é a seguinte. Átomos acelerados no campo gravitacional, imediatamente depois de ter atingido um momento correspondendo ao momento de recuo fotônico, absorvem um fóton do laser contrapropagante e emitem este fóton dentro do feixe de laser copropagante. Este processo reflete o movimento dos átomos como se eles tivessem encontrado um trampolim [16,17], Os átomos saltam muitas vezes neste trampolim executando um movimento periódico chamado de oscilação de Bloch e, idealmente, nunca ultrapassando o momento de um recuo fotônico.[9] Bloch Oscillations: The idea behind Bloch oscillations is as follows. Accelerated atoms in the gravitational field, immediately after reaching a moment corresponding to the photonic recoil momentum, absorb a counter-propagating laser photon and emit this photon into the copropagating laser beam. This process reflects the movement of atoms as if they had found a trampoline [16,17]. Atoms often bounce on this trampoline by performing a periodic motion called the Bloch oscillation and, ideally, never surpassing the moment of a photonic retreat.
[10] A frequência das oscilações de Bloch é estritamente proporcional à massa do átomo, à aceleração gravitacional e à periodicidade da onda estacionária, sendo tipicamente da ordem de 100-2000 Hz. Taxas de amortecimento muito baixas [18,19] permitiram gravar 10000 ciclos de oscilações de Bloch em mais do que 20 s. Com tempos de coerência tão longos, as oscilações de Bloch de átomos frios tornam-se viáveis para medições de forças aceleradoras com alta precisão, por exemplo, para medir a gravidade. Elas combinam as vantagens de alta sensibilidade e resolução espacial micrométrica [20,21]. Oscilações de Bloch com longos tempos de coerência foram observadas recentemente com átomos frios [13] e condensados de Bose-Einstein em redes ópticas [14,15], Recentemente, novos gravímetros baseados na detecção de oscilações de Bloch com altíssimas resoluções foram desenvolvidos [18,19,21].[10] The frequency of Bloch oscillations is strictly proportional to atom mass, gravitational acceleration, and standing wave periodicity, typically around 100-2000 Hz. Very low damping rates [18,19] have allowed to record 10000 Bloch oscillation cycles in more than 20 s. With such long coherence times, cold-atom Bloch oscillations become viable for high-precision accelerating force measurements, for example for measuring gravity. They combine the advantages of high sensitivity and micrometric spatial resolution [20,21]. Bloch oscillations with long coherence times have recently been observed with cold atoms [13] and Bose-Einstein condensates in optical networks [14,15]. Recently, new gravimeters based on the detection of very high resolution Bloch oscillations have been developed [18]. , 19.21].
[11] Medição das oscilações de Bloch: Embora oscilações de Bloch permitam, em princípio, largas bandas de detecção da ordem da frequência de oscilação, em todas as experiências atuais as oscilações são detectadas de maneira destrutiva. Tal detecção é realizada por análise da velocidade instantânea de uma nuvem atômica fotografando a sua posição após um tempo de voo. Infelizmente, para cada medição da fase atual da oscilação, uma nova nuvem atômica deve ser preparada e sujeita a oscilações de Bloch. Variando o tempo da evolução, as oscilações de Bloch podem ser reconstruídas a partir das quais, baseado num grande número de medições, a força de aceleração pode ser extraída.[11] Bloch Oscillation Measurement: Although Bloch oscillations allow, in principle, large bands of detection of the order of oscillation frequency, in all current experiments oscillations are destructively detected. Such detection is performed by analyzing the instantaneous velocity of an atomic cloud by photographing its position after a flight time. Unfortunately, for each measurement of the current phase of the oscillation, a new atomic cloud must be prepared and subjected to Bloch oscillations. By varying the time of evolution, the Bloch oscillations can be reconstructed from which, based on a large number of measurements, the accelerating force can be extracted.
[12] O processo é trabalhoso e sofre de incertezas e flutuações nas condições iniciais da nuvem. Por isso, a largura da banda de detecção é limitada pelo tempo de repetição da sequência experimental, que no melhor dos casos fica em torno de 10 ms [Ref. 22 e US 8,941,053], o que também significa que a relação sinal-ruído atingível em um dado tempo é limitado. Para medições do campo gravitacional da Terra, essa limitação não é uma restrição severa, porque suas variações (por exemplo, oscilações de marés) são lentas e de grandes escalas, ou seja, o tempo de integração pode ser longo. No entanto, para medições da gravidade local, uma resposta mais rápida do gravímetro é desejável.[12] The process is labor intensive and suffers from uncertainties and fluctuations in early cloud conditions. Therefore, the detection bandwidth is limited by the repetition time of the experimental sequence, which in the best case is around 10 ms [Ref. 22 and US 8,941,053], which also means that the signal-to-noise ratio attainable at any given time is limited. For measurements of the Earth's gravitational field, this limitation is not a severe constraint because its variations (eg tidal oscillations) are slow and of large scales, ie integration time can be long. However, for local gravity measurements, a faster response from the gravimeter is desirable.
[13] Ganho por cavidades ópticas: O processo de medição poderia ser dramaticamente acelerado, se ao invés de fazer imagens sucessivas do movimento atômico, o impacto do movimento atômico sobre um campo de luz for monitorado de maneira contínua. De fato, experiências recentes [23-25] demonstraram que átomos se deslocando em uma onda de luz estacionária podem modificar a amplitude ou fase da onda de luz, desde que tal onda esteja suficientemente independente dos feixes de laser. Uma maneira de satisfazer este requisito é deixar a onda se desenvolver dentro de uma cavidade óptica anular de alta qualidade. O papel da cavidade consiste em ampliar a interação dos átomos com a luz, pois quando os átomos oscilam dentro do ressonador, a retroação modula a fase e a intensidade da luz armazenada na cavidade [26]. Uma proposta recente [27] sugere a utilização de cavidades anulares operadas no regime da eletrodinâmica quântica em cavidade (CQED). Infelizmente, um problema ocorre devido à interação dos átomos com a luz armazenada na cavidade, pois essa interação é acompanhada por uma força acelerando os átomos, perturbando as oscilações de Bloch e, consequentemente, falsificando a medida da aceleração gravitacional. Por isso, um processo permitindo uma auto-estabilização das oscilações seria altamente desejável.[13] Optical Cavity Gain: The measurement process could be dramatically accelerated if, instead of taking successive images of atomic motion, the impact of atomic motion on a light field is continuously monitored. Indeed, recent experiments [23-25] have shown that atoms moving in a stationary light wave can modify the amplitude or phase of the light wave, provided that such a wave is sufficiently independent of laser beams. One way to meet this requirement is to let the wave develop into a high quality annular optical cavity. The role of the cavity is to amplify the interaction of atoms with light, because when atoms oscillate within the resonator, feedback modulates the phase and intensity of light stored in the cavity [26]. A recent proposal [27] suggests the use of annular cavities operated in the Cavity Quantum Electrodynamics (CQED) regime. Unfortunately, a problem occurs due to the interaction of atoms with the light stored in the cavity, as this interaction is accompanied by a force accelerating the atoms, disrupting Bloch's oscillations and consequently falsifying the gravitational acceleration measurement. Therefore, a process allowing self-stabilization of oscillations would be highly desirable.
[14] Há gravímetros baseados em oscilações de Bloch de átomos numa onda estacionária de luz realizada por um feixe laser vertical retrorefletido, mas sem cavidade anular [22] e, portanto, sem monitoramento contínuo e sem estabilização do movimento atômico. Do outro lado, existe uma proposta teórica de monitoramento contínuo das oscilações por uma cavidade anular [21]. Baseada num modo de funcionamento diferente, essa proposta também não permite auto-estabilização do movimento atômico. Em contraste, a nossa proposta atende concomitantemente as duas propriedades desejadas, de forma a aumentar a precisão da medida gravitacional.[14] There are gravimeters based on Bloch oscillations of atoms in a stationary wave of light carried by a retroreflected vertical laser beam, but without annular cavity [22] and thus without continuous monitoring and no stabilization of atomic motion. On the other hand, there is a theoretical proposal for continuous monitoring of oscillations through an annular cavity [21]. Based on a different mode of operation, this proposal also does not allow self-stabilization of atomic motion. In contrast, our proposal concomitantly meets the two desired properties in order to increase the accuracy of the gravitational measurement.
[15] Na patente US 4,874,942 de J.F. Claussen é proposto o uso de interferômetros de ondas de matéria atômica como sensores inerciais. Um feixe atômico é dividido e recombinado por uma sequência de pulsos de luz. Na área de detecção observa-se uma interferência de onda de matéria que pode ser mapeada facilmente através do estado de excitação dos átomos. Assim, a amostra é destruída com a detecção.[15] J.F. Claussen US Patent 4,874,942 proposes the use of atomic matter wave interferometers as inertial sensors. An atomic beam is divided and recombined by a sequence of light pulses. In the detection area a wave interference of matter can be observed that can be easily mapped by the excitation state of atoms. Thus, the sample is destroyed with detection.
[16] Já o documento US 5,274,231 desenvolvido por S. Chu e M. Kasevich é o mais importante na área da gravimetria atômica (vide também [6]). Um chafariz atômico joga uma amostra de átomos ultrafrios para cima onde ela é excitada por uma sequência de pulsos de luz excitando transições Raman do tipo Ramsey- Bordé. Entretanto, assim como no pedido mencionado anteriormente, a amostra é destruída com a detecção.[16] US 5,274,231 developed by S. Chu and M. Kasevich is the most important in the area of atomic gravimetry (see also [6]). An atomic fountain throws up a sample of ultra-cold atoms where it is excited by a sequence of light pulses exciting Ramsey-Bordé Raman transitions. However, as with the previously mentioned request, the sample is destroyed with detection.
[17] A ideia proposta na US 8,941,053 também baseia-se no interferômetro atômico de Ramsey-Bordé, mas representa um melhoramento da taxa de repetição por uma técnica que permite a reciclagem de átomos usados em ciclos anteriores. Taxas de repetição de 10 ms foram alcançadas. No entanto, uma nova amostra de átomos deve ser preparada e resfriada antes de cada medida.[17] The idea proposed in US 8,941,053 is also based on the Ramsey-Bordé atomic interferometer, but represents an improvement in the repetition rate by a technique that allows the recycling of atoms used in previous cycles. Repetition rates of 10 ms have been achieved. However, a new sample of atoms must be prepared and cooled before each measurement.
[18] M. Inguscio e G. Modugno propõem na patente EP 1730553A1 um interferômetro atômico baseado em oscilações de Bloch para observação de uma força inercial. Apesar do fato que a frequência das oscilações responde instantaneamente às variações temporais da força, o método de observação não permite monitoramento contínuo das oscilações de Bloch com uma única amostra de átomos, mas precisa da preparação de uma nova amostra para cada medida de um ponto da oscilação.[18] M. Inguscio and G. Modugno propose in EP 1730553A1 an atomic interferometer based on Bloch oscillations for observation of an inertial force. Despite the fact that the frequency of oscillations responds instantaneously to temporal variations in force, the observation method does not allow continuous monitoring of Bloch oscillations with a single sample of atoms, but needs to prepare a new sample for each measurement of one point of the atom. oscillation.
[19] Assim, não há até o momento, invenção similar à presente proposta, ou seja, um dispositivo e método baseados em interferometria atômica, que permita monitorar continuamente e ao vivo o movimento oscilatório de uma onda de matéria e a auto-estabilização das oscilações de Bloch.[19] Thus, there is as yet no invention similar to the present proposal, ie a device and method based on atomic interferometry, which allows continuous and live monitoring of the oscillatory motion of a matter wave and the self-stabilization of Bloch oscillations.
Breve descrição da invenção [20] A invenção refere-se a um gravímetro baseado em interferometria atômica, no qual os átomos são resfriados até uma temperatura em que formam uma onda de matéria coerente e depois são transferidos dentro de uma onda estacionária vertical de luz quase-ressonante com uma transição atômica. Os átomos são colocados dentro de uma cavidade óptica anular bombeada em uma direção por um feixe laser e executam oscilações de Bloch, cuja frequência é estritamente proporcional à aceleração gravitacional. O dispositivo permite monitorar continuamente e ao vivo o movimento oscilatório da onda de matéria atômica através do seu impacto sobre os campos de luz da cavidade. O dispositivo e método propostos também levam à estabilização da periodicidade do seu movimento. O monitoramento contínuo e a estabilização das oscilações de Bloch levam ao aumento da precisão da medida.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION [20] The invention relates to an atomic interferometry-based gravimeter in which atoms are cooled to a temperature at which they form a wave of coherent matter and then transferred into a vertical standing wave of light almost -resonant with an atomic transition. Atoms are placed within an annular optical cavity pumped in one direction by a laser beam and perform Bloch oscillations, the frequency of which is strictly proportional to gravitational acceleration. The device allows continuous and live monitoring of the oscillatory motion of the atomic matter wave through its impact on the cavity light fields. The proposed device and method also lead to stabilization of the periodicity of its movement. Continuous monitoring and stabilization of Bloch oscillations leads to increased measurement accuracy.
Vantagens da invenção [21] A invenção fornece um mecanismo que amplia o impacto do movimento oscilatório dos átomos sobre o campo de luz armazenado na cavidade, de maneira a produzir ao vivo um sinal contínuo proporcional à força gravitacional.Advantages of the Invention [21] The invention provides a mechanism that amplifies the impact of the oscillatory motion of atoms on the light field stored in the cavity to produce a continuous signal proportional to the gravitational force live.
[22] Ainda, fornece um mecanismo de retroação da cavidade sobre os átomos, que ativamente não só cancela a força exercida pela luz sobre os átomos, mas além disso, compensa perturbações devidas a efeitos exteriores, como colisões ou ruído na amplitude ou fase da onda estacionária confinando os átomos.[22] It also provides a mechanism for cavity feedback on atoms, which actively not only cancels the force exerted by light on atoms, but also compensates for disturbances due to external effects such as collisions or noise in the amplitude or phase of the atom. standing wave confining the atoms.
[23] Dessa forma, a presente invenção apresenta aumento da precisão da medida desejada.[23] Accordingly, the present invention provides increased accuracy of the desired measurement.
Breve descrição das figuras [24] O objetivo da invenção, juntamente com vantagens adicionais da mesma, poderá ser melhor entendido mediante referência às figuras anexadas e às seguintes descrições: [25] Figura 1 - Esquema do dispositivo, apresentando a cavidade anular (23) que consiste de dois espelhos de alta refletividade (6) e um de acoplamento (5). Ela interage com átomos de 88Sr (1) confinados por uma onda estacionária de luz (2).BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES [24] The object of the invention, together with further advantages thereof, may be better understood by reference to the accompanying figures and the following descriptions: [25] Figure 1 - Diagram of the device showing the annular cavity (23) which consists of two high reflectivity mirrors (6) and one coupling mirror (5). It interacts with 88Sr atoms (1) confined by a stationary wave of light (2).
[26] Figura 2 - Simulação da dinâmica. Gráfico superior: Evolução temporal do momento médio dos átomos <p>iab no sistema inercial do laboratório com N=40000 átomos. Gráfico inferior: Evolução do número médio de fótons |a|2 dentro do modo prova da cavidade.[26] Figure 2 - Simulation of dynamics. Upper graph: Temporal evolution of the mean momentum of atoms <p> iab in the laboratory inertial system with N = 40,000 atoms Bottom Graph: Evolution of the average number of photons | a | 2 within the cavity proof mode.
[27] Figura 3 - Fluxograma com as etapas do método proposto.[27] Figure 3 - Flowchart with the steps of the proposed method.
[28] Figura 4 - Montagem completa da câmara de vácuo.[28] Figure 4 - Complete assembly of the vacuum chamber.
[29] Figuras 5 e 6 - Esquema e foto da câmara de vácuo principal.[29] Figures 5 and 6 - Scheme and photo of the main vacuum chamber.
[30] Figuras 7 e 8 - Esquema e foto da cavidade anular mostrando os três espelhos e a estrutura de suporte da cavidade.[30] Figures 7 and 8 - Diagram and photo of the annular cavity showing the three mirrors and the support structure of the cavity.
[31] Figura 9 - Esquema das fontes de luz (caixas azuis), das câmaras de vácuo (caixas cinzas) e as eletrônicas Pound-Drever-Hall de travamento de frequência e de detecção e monitoramento do feixe de luz carregando o sinal das oscilações de Bloch (caixas verdes).[31] Figure 9 - Schematic of light sources (blue boxes), vacuum chambers (gray boxes) and Pound-Drever-Hall electronic frequency locking and light beam detection and monitoring carrying the oscillation signal. of Bloch (green boxes).
Descrição detalhada da invenção [32] Embora a presente invenção possa ser suscetível de diferentes concretizações, é mostrado nos desenhos e na seguinte discussão detalhada, uma concretização preferida com o entendimento de que a presente descrição deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da invenção e não pretende limitar a presente invenção ao que é aqui ilustrado e descrito.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Although the present invention may be susceptible of different embodiments, a preferred embodiment is shown in the drawings and the following detailed discussion with the understanding that the present disclosure should be considered an exemplification of the principles of the invention and not is intended to limit the present invention to what is illustrated and described herein.
[33] O conceito inventivo da presente invenção é esquematizado na figurai. Uma nuvem de átomos (1) é aprisionada e resfriada até uma temperatura abaixo do limite do recuo fotônico, isto é, tipicamente em torno de 300 nK, não sendo necessário que este seja um condensado de Bose-Einstein. Após, os átomos são carregados para uma armadilha óptica periódica (3), que consiste em dois feixes de laser cruzados (2). O comprimento de onda do laser e o ângulo de cruzamento β são calculados para formar uma onda de luz estacionária vertical com uma periodicidade, que corresponde à metade do comprimento de onda da transição atômica de intercombinação em 689 nm. Uma cavidade anular com três espelhos (5,6) fica montada em torno da nuvem atômica.[33] The inventive concept of the present invention is outlined in FIG. A cloud of atoms (1) is trapped and cooled to a temperature below the photonic recoil threshold, that is, typically around 300 nK, which need not be a Bose-Einstein condensate. The atoms are then charged to a periodic optical trap (3) consisting of two crossed laser beams (2). The laser wavelength and intersection angle β are calculated to form a vertical stationary light wave with a periodicity, which corresponds to half the wavelength of the atomic transition intercombination at 689 nm. An annular cavity with three mirrors (5,6) is mounted around the atomic cloud.
Dispositivo para medida da aceleração qravitacional [34] Em um primeiro aspecto, a invenção provê um dispositivo para medida da aceleração gravitacional.Qravitational acceleration measuring device [34] In a first aspect, the invention provides a gravitational acceleration measuring device.
[35] 0 dispositivo proposto é um gravímetro baseado em interferometria atômica. Os átomos são resfriados até uma temperatura em que eles formam uma onda de matéria coerente e depois são transferidos dentro de uma onda estacionária vertical de luz quase-ressonante com uma transição atômica. Aqui, os átomos executam oscilações de Bloch, cuja frequência é estritamente proporcional à aceleração gravitacional.[35] The proposed device is a gravimeter based on atomic interferometry. Atoms are cooled to a temperature at which they form a wave of coherent matter and are then transferred into a vertical standing wave of quasi-resonant light with an atomic transition. Here atoms perform Bloch oscillations, whose frequency is strictly proportional to gravitational acceleration.
[36] No presente pedido, propomos construir em tomo da nuvem atômica (1) uma cavidade óptica anular (23) de tal maneira que um dos braços da cavidade seja alinhado à onda estacionária vertical (3). Quando um dos dois modos contrapropagantes da cavidade é bombeado por um feixe laser (4), a luz espalhada pelos átomos para o modo inverso (8), chamado de prova, traz assinaturas da velocidade dos átomos.[36] In the present application, we propose to construct around the atomic cloud (1) an annular optical cavity (23) such that one of the cavity arms is aligned with the vertical standing wave (3). When one of the cavity's two counter-propagating modes is pumped by a laser beam (4), the light scattered by the atoms to inverse mode (8), called proof, bears signatures of the velocity of atoms.
[37] Dessa forma, observando o modo prova (8), o dispositivo permite monitorar continuamente o movimento oscilatório dos átomos, coletar informação sobre a periodicidade das oscilações de Bloch e, por este meio, sobre a força (ou variações temporais da mesma) agindo sobre os átomos. Como a medida é feita ao vivo numa mesma onda de matéria, a informação pode ser coletada mais rapidamente do que usando técnicas convencionais requerendo que cada medida seja feita com uma onda de matéria novamente preparada. Isso permite ainda, melhorar a relação sinal-ruído que pode ser obtida em tempos de integração mais curtos.[37] Thus, by observing the proof mode (8), the device continuously monitors the oscillatory motion of atoms, collects information on the periodicity of Bloch's oscillations, and thereby the force (or temporal variations thereof). acting on atoms. Since the measurement is made live on the same matter wave, information can be collected faster than using conventional techniques requiring that each measurement be made with a newly prepared matter wave. This further enhances the signal-to-noise ratio that can be achieved at shorter integration times.
Conceito da câmara de vácuo [38] Os átomos devem ser preparados, juntamente com a cavidade (23) dentro de uma câmara de vácuo (15) e (19). Colisões dos átomos com moléculas do gás residual limitam o tempo de vida da onda de matéria e, portanto, o tempo de medida útil para o sensor inercial. Por isso, é essencial alcançar pressões extremamente baixas. A figura 4 mostra um esquema possível para a montagem da câmara de vácuo. Ela é feita em aço (não magnético para evitar campos magnéticos perturbando os átomos), e cabe num cubo de 50x50x50cm3. A fim de manter o dispositivo compacto e alcançar pressões extremamente baixas, ela é compartilhada em duas câmaras de vácuo (15) e (19). Cada câmara é bombeada por um conjunto de bombas de vácuo turbo (11), iônicas e de getter (12). O vácuo da câmara (15) é mantido numa faixa de 10'8 a 10‘9 mbar (ultrahigh vacuum, UHV). O vácuo da câmara (19) é mantido abaixo de 10'11 mbar (extreme ultrahigh vacuum, XUHV) [29] sendo medido por um medidor de pressão (13).Vacuum Chamber Concept [38] Atoms should be prepared together with the cavity (23) within a vacuum chamber (15) and (19). Collisions of atoms with residual gas molecules limit the lifetime of the matter wave and thus the useful measurement time for the inertial sensor. It is therefore essential to achieve extremely low pressures. Figure 4 shows a possible scheme for mounting the vacuum chamber. It is made of steel (non-magnetic to avoid magnetic fields disturbing atoms), and fits into a 50x50x50cm3 cube. In order to keep the device compact and achieve extremely low pressures, it is shared in two vacuum chambers (15) and (19). Each chamber is pumped by a set of turbo (11), ionic and getter (12) vacuum pumps. The chamber vacuum (15) is maintained in a range of 10'8 to 10‘9 mbar (ultrahigh vacuum, UHV). The chamber vacuum (19) is maintained below 10'11 mbar (extreme ultrahigh vacuum, XUHV) [29] and is measured by a pressure gauge (13).
[39] Um desafio maior é garantir o acesso óptico necessário para permitir a inserção de todos os feixes dentro da câmara de vácuo principal (19). Estes são os seis feixes da AMO (armadilha magneto-óptica) azul, os seis feixes da AMO vermelha, o laser de rebombeamento, os dois feixes da rede óptica, o acesso óptico para tirar fotos da nuvem, o feixe atômico e o acesso óptico para recolher a luz transmitida por cada um dos espelhos da cavidade anular (três vezes duas direções). Nenhuma câmara de vácuo padrão (cubo, octogono, etc.) consegue satisfazer esta condição. Frequentemente são usadas células de vidro, mas estas não permitem acomodar um suporte para a cavidade anular. O conceito da câmara de vácuo principal (19) mostrado na figura 6 oferece um ótimo acesso óptico permitindo, ao mesmo tempo, incorporar uma fixação (24) para o suporte (25) da cavidade anular (23). A figura 5 mostra uma foto de uma realização possível. As janelas (33) são de vidro BK7. A junção entre a câmara (19) e as janelas (33) é feita de fios de índio, que é um metal suficientemente mole para garantir um calafetamento hermético.[39] A major challenge is ensuring the optical access necessary to allow all beams to be inserted into the main vacuum chamber (19). These are the six blue AMO (magneto-trap) beams, the six red AMO beams, the rebounding laser, the two optical network beams, the optical access to take pictures of the cloud, the atomic beam and the optical access. to collect the light transmitted by each of the annular cavity mirrors (three times two directions). No standard vacuum chamber (cube, octagon, etc.) can satisfy this condition. Glass cells are often used, but they do not accommodate a support for the annular cavity. The concept of the main vacuum chamber (19) shown in Figure 6 offers optimum optical access while allowing to incorporate a fixture (24) for the annular cavity support (25). Figure 5 shows a photo of a possible embodiment. The windows 33 are of BK7 glass. The junction between the chamber 19 and the windows 33 is made of indium wire, which is a metal sufficiently soft to guarantee an airtight caulking.
Dispositivo de resfriamento [40] É proposto que seja utilizado o elemento de estrôncio 88Sr, visto que o gás atômico de estrôncio é gerado por dispensores alimentados em corrente através de um feedthrough elétrico (14). Entretanto, podem ser utilizadas outras espécies, como itérbio, rubídio ou outra espécie atômica que permita o resfriamento até temperaturas abaixo do limite do recuo fotônico.Cooling Device [40] It is proposed that the strontium element 88Sr be used, as strontium atomic gas is generated by current-fed dispensers via an electrical feedthrough (14). However, other species may be used, such as ytterbium, rubidium or other atomic species that allow cooling to temperatures below the limit of photonic retreat.
[41] Os átomos do gás serão capturados e resfriados por uma armadilha magneto-óptica em duas dimensões (AMO-2D) que consiste em um campo magnético quadripolar gerado por imãs (16) e dois pares de feixe laser contrapropagantes (17) se cruzando em ângulo reto. Os feixes laser são sintonizados a 30 MHz abaixo da ressonância atômica forte do estrôncio 1So - ' P^ em 461 nm, que tem uma largura de linha de 32 MHz. Este dispositivo concentra átomos relativamente frios num volume localizado na área de cruzamento dos feixes.[41] The gas atoms will be captured and cooled by a two-dimensional magneto-optical trap (AMO-2D) consisting of a quadripolar magnetic field generated by magnets (16) and two intersecting counter-propagating laser pairs (17). at right angle. Laser beams are tuned at 30 MHz below the strong atomic resonance of strontium 1So - 'P ^ at 461 nm, which has a line width of 32 MHz. This device concentrates relatively cold atoms in a volume located in the beam crossing area.
[42] Os átomos são agora empurrados por um outro feixe laser (18) da mesma frequência e passam por uma abertura do raio de 1 mm conectando as duas câmaras. Dentro da câmara principal (19) os átomos são recapturados de novo por uma armadilha magneto-óptica padrão (AMO azul) [32] que consiste em um campo magnético quadripolar gerado por ímãs (21) e três pares de feixe laser contrapropagantes (22) se cruzando em ângulo reto. Aqui os átomos são resfriados até uma temperatura em torno de 5 mK. Para evitar o decaimento dos átomos para o estado metaestável 3P2, é necessário irradiar um laser excitando a transição do estrôncio em 497 nm que bombeia os átomos para o estado 3Pi que, em torno, decai para o estado fundamental.[42] Atoms are now pushed by another laser beam (18) of the same frequency and pass through a 1 mm radius opening connecting the two chambers. Within the main chamber (19) atoms are recaptured by a standard magneto-optical trap (blue AMO) [32] consisting of a quadripolar magnetic field generated by magnets (21) and three counter-propagating laser beam pairs (22) intersecting at right angles. Here atoms are cooled to a temperature around 5 mK. To prevent the decay of atoms to the metastable state 3P2, it is necessary to radiate a laser exciting the transition of strontium at 497 nm that pumps the atoms to the 3Pi state which, around, decays to the ground state.
[43] Temperaturas mais baixas ainda podem ser alcançadas utilizando uma particularidade do estrôncio, ou seja, a existência de uma transição de intercombinação 1So-3Pi em 689 nm com uma largura de linha estreita de 7,6 kHz. Nesta transição é possível operar uma armadilha magneto-óptica (AMO vermelha), onde rotineiramente temperaturas em torno de 300 nK são atingidas. Isso é suficientemente abaixo do limite de recuo fotônico (917 nK @ 689 nm) para que a nuvem atômica se comporte como uma onda de matéria.[43] Lower temperatures can still be achieved using a strontium feature, namely a 1So-3Pi intercomination transition at 689 nm with a narrow line width of 7.6 kHz. In this transition it is possible to operate a magneto-optical trap (red AMO), where temperatures around 300 nK are routinely reached. This is sufficiently below the photonic recoil limit (917 nK @ 689 nm) for the atomic cloud to behave like a wave of matter.
Conceito da rede óptica vertical [44] Para criação da rede óptica vertical foram escolhidos dois feixes laser (2) de comprimento de onda Àlat = 532 nm que se cruzam sob um ângulo de 101°. Neste ângulo a periodicidade da rede coincide com a metade do comprimento de onda da transição de intercombinação. A cintura dos feixes deve ser maior do que a extensão da nuvem. Escolhemos wlat = 500 μΓη.Concept of the vertical optical network [44] For the creation of the vertical optical network, two laser beams (2) of wavelength Î ”= 532 nm which cross at an angle of 101 ° were chosen. At this angle the network periodicity coincides with half the wavelength of the intercombination transition. The waist of the beams must be greater than the extent of the cloud. We chose wlat = 500 μΓη.
Conceito e especificação da cavidade [45] A cavidade anular (23) proposta é esquematizada nas figuras 1 e 8. A figura 7 mostra uma foto de uma realização possível. Ela consiste de três espelhos formando um triângulo com um ângulo reto. Os substratos dos espelhos (5,6) são cortados em forma de prismas para facilitar a passagem dos feixes de luz através deles e a fixação dos substratos na geometria predefinida do suporte (25).Cavity Concept and Specification [45] The proposed annular cavity (23) is outlined in Figures 1 and 8. Figure 7 shows a photo of a possible embodiment. It consists of three mirrors forming a triangle with a right angle. The substrates of the mirrors (5,6) are prism-cut to facilitate the passage of light beams through them and the fixation of the substrates to the predefined geometry of the support (25).
[46] O suporte (25) da cavidade (23) é feito de aço de maneira a fornecer uma estrutura rígida eliminando vibrações excitadas por ruído acústico. Bordas pré-moldadas definem a localização exata dos espelhos (5,6). Um dos espelhos (x) é montado num braço, que pode ser movido levemente por deformação elástica sob a força exercida por uma cerâmica piezo-elétrica (26). A cerâmica é alimentada em corrente através de um feedthrough de vácuo (20). Isso permite a sintonização e o controle do comprimento e da frequência de ressonância da cavidade (23).[46] The holder (25) of the cavity (23) is made of steel to provide a rigid structure eliminating vibrations excited by acoustic noise. Preformed edges define the exact location of the mirrors (5,6). One of the mirrors (x) is mounted on an arm, which can be moved slightly by elastic deformation under the force exerted by a piezoelectric ceramic (26). The ceramic is fed through a vacuum feedthrough (20). This allows tuning and control of cavity length and resonant frequency (23).
[47] O comprimento total do caminho livre da luz dentro da cavidade é L = 3,8 cm. Com isso o intervalo espectral livre fica àfsr = c/L = 7,76 GHz. Os dois espelhos (6) do braço vertical da cavidade (23) têm alta reflectividade de R = 99,95% em 689 nm e o raio de curvatura p= 50 mm. O terceiro espelho (5) é plano e serve como acoplador. Com uma reflectividade de R = 99,74% ele é parcialmente reflectante de maneira a permitir a entrada de luz (4).[47] The total length of the light free path within the cavity is L = 3.8 cm. Thus the free spectral range is at fsr = c / L = 7.76 GHz. The two mirrors (6) of the vertical cavity arm (23) have a high reflectivity of R = 99.95% at 689 nm and the radius of curvature p = 50 mm. The third mirror (5) is flat and serves as a coupler. With a reflectivity of R = 99,74% it is partially reflective to allow light to enter (4).
[48] Com essas refletividades, obtemos uma finesse de F = 1882 correspondendo a uma taxa de decaimento da cavidade de κ = (2tt) 328 kHz. A força do acoplamento átomo-cavidade é g = (2tt) 8,7 kHz. A cintura do modo da cavidade na posição de aprisionamento dos átomos é wcav = 70 μπι.[48] With these reflectivities, we obtain a finesse of F = 1882 corresponding to a cavity decay rate of κ = (2tt) 328 kHz. The strength of the atom-cavity coupling is g = (2tt) 8.7 kHz. The waist of the cavity mode at the trapping position of atoms is wcav = 70 μπι.
Auto-sincronização da onda de matéria [49] Em alguns regimes de parâmetros, caracterizados pela profundidade do potencial dipolar da rede óptica W0 e da força de acoplamento entre os modos da cavidade U0, podemos observar um efeito de auto-sincronização [28] da onda de matéria nunca descrito anteriormente. Este efeito resulta numa purificação das oscilações de Bloch, que está visível nas simulações feitas na figura 2. O gráfico superior mostra a evolução temporal do momento médio dos átomos <p> iab no sistema inercial do laboratório com Λ/=40000 átomos. O gráfico inferior mostra a evolução do número médio de fótons |σ|2 dentro do modo prova da cavidade. Obviamente, cada oscilação da nuvem é acompanhada por um pico na luz emitida pela cavidade (23).Self-synchronization of the matter wave [49] In some parameter regimes characterized by the depth of the dipole potential of the optical network W0 and the coupling force between the cavity modes U0, we can observe an auto-synchronization effect [28] of the wave of matter never described before. This effect results in a purification of Bloch oscillations, which is visible in the simulations made in Figure 2. The upper graph shows the temporal evolution of the mean momentum of the <p> iab atoms in the laboratory inertial system with Λ / = 40,000 atoms. The lower graph shows the evolution of the average number of photons | σ | 2 within the cavity proof mode. Obviously, each cloud oscillation is accompanied by a spike in the light emitted by the cavity (23).
[50] Inicialmente, as oscilações são sujeitas a um ruído devido à distribuição dos átomos em várias velocidades. Depois de algumas oscilações, devido ao impacto da cavidade, as trajetórias atômicas ficam sincronizadas e o ruído desaparece. Assim, a retroação exercida pela cavidade sobre os átomos estabiliza a periodicidade do seu movimento oscilatório.[50] Initially, the oscillations are subjected to noise due to the distribution of atoms at various speeds. After some oscillations due to the impact of the cavity, the atomic paths are synchronized and the noise disappears. Thus, the feedback exerted by the cavity on the atoms stabilizes the periodicity of their oscillatory motion.
[51] Para observar o efeito de auto-sincronização da onda de matéria, precisamos que a profundidade do potencial dipolar da rede seja em torno de W0 = 3h<Drec, onde inrec = hk2/2m = 4.8 kHz é a frequência do recuo fotõnico. A ressonância atômica dominante para força dipolar é aquela de 461 nm. Portanto, a profundidade do potencial dipolar é onde λ461 é o comprimento de onda da ressonância e Γ461 sua largura natural. Resolvendo esta equação, obtemos que para gerar este potencial os lasers da rede óptica devem ter uma potência de Plat = 1.7 W.[51] To observe the matter-wave auto-synchronization effect, we need the depth of the network dipole potential to be around W0 = 3h <Drec, where inrec = hk2 / 2m = 4.8 kHz is the frequency of photonic recoil. . The dominant atomic resonance for dipolar force is that of 461 nm. Therefore, the depth of the dipolar potential is where λ461 is the resonance wavelength and Γ461 its natural width. By solving this equation, we obtain that to generate this potential the optical network lasers must have a power of Plat = 1.7 W.
[52] A segunda condição para observar 0 efeito de auto-sincronização é uma intensidade adequada da luz (4) bombeando a cavidade: Por um lado, esta luz não deve atrapalhar o confinamento dos átomos na onda estacionária (2), por outro lado ela deve ser suficiente para permitir a detecção do movimento atômico e estabilizar este movimento. Um valor possível para a força de acoplamento entre os modos da cavidade é U0 = 0.04ftcurec. Calculando a força de acoplamento entre os modos da cavidade como U0 = hgtlbmb/4Δα, onde ílbmb é a frequência de Rabi devido ao laser de bombeamento, e assumindo uma dessintonia entre o laser de bombeamento e a transição de intercombinação de Δα = —(2ττ)2 GHz precisamos fornecer uma potência para o laser de bombeamento de Pbmb = 0,1 nW. No entanto, como a dessintonia pode ser escolhida arbitrariamente, a potência pode também. Para manter a força de acoplamento fixa devemos aumentar a potência quadraticamente com o aumento da dessintonia, Pbmb «Δ^.[52] The second condition for observing the auto-sync effect is an adequate light intensity (4) pumping the cavity: On the one hand, this light should not disrupt the confinement of atoms in the standing wave (2), on the other hand it must be sufficient to permit detection of atomic motion and to stabilize this motion. A possible value for coupling force between cavity modes is U0 = 0.04ftcurec. Calculating the coupling force between the cavity modes as U0 = hgtlbmb / 4Δα, where μbmb is the Rabi frequency due to the pumping laser, and assuming a mismatch between the pumping laser and the Δα = - (2ττ) intercombination transition. ) 2 GHz we need to supply a power to the pumping laser of Pbmb = 0.1 nW. However, since the tuning can be arbitrarily chosen, so can the power. To keep the coupling force fixed we must increase the power quadratically with the increase of the tuning Pbmb 'Δ ^.
Esquema de laser [53] Vários lasers são necessários para compor o gravímetro (mostrado na figura 9). Foram mencionados os lasers em 461 nm (27), 497 nm (28), 689 nm (29) e 532 nm (30). Estes lasers são comercialmente acessíveis e seu uso na manipulação do estrôncio foi mostrado em várias publicações. Do outro lado, uma atenção particular deve ser prestada para o laser (31) bombeando a cavidade (23), pois ele precisa ficar em ressonância com a cavidade com alta fidelidade. Por isso, a cavidade (23) é estabilizada sobre a frequência do feixe laser incidente por uma eletrônica (32) de travamento tipo Pound-Drever-Hall (PDH) [33], que regula a cerâmica piezoelétrica (26) localizada no suporte (25) da cavidade. Método de medida da aceleração qravitacional [54] Em um segundo aspecto, a presente invenção provê um método de medida da aceleração gravitacional, que compreende as seguintes etapas: a) Preparar um feixe de átomos frios por meio de uma AMO-2D; b) Capturar este feixo atômico pela AMO azul e resfriar-lo para temperaturas em tomo de 5 mK; c) Resfriar os átomos ainda mais por uma AMO vermelha para temperaturas em torno de 300 nK; d) Transferir a onda de matéria para onda estacionária de luz; e) Incitar os átomos a executar oscilações de Bloch devido a aceleração gravitacional; f) Injetar um laser bombeando um modo da cavidade anular; g) Medir continuamente e ao vivo o movimento da onda de matéria.Laser scheme [53] Several lasers are required to compose the gravimeter (shown in figure 9). Lasers at 461 nm (27), 497 nm (28), 689 nm (29) and 532 nm (30) were mentioned. These lasers are commercially accessible and their use in strontium manipulation has been shown in several publications. On the other hand, particular attention should be paid to the laser (31) pumping the cavity (23), as it must resonate with the cavity with high fidelity. Therefore, the cavity (23) is stabilized over the frequency of the incident laser beam by a Pound-Drever-Hall (PDH) locking electronics (32) [33], which regulates the piezoelectric ceramic (26) located in the bracket ( 25) of the cavity. Qravitational Acceleration Measurement Method [54] In a second aspect, the present invention provides a method of measuring gravitational acceleration, comprising the following steps: (a) preparing a cold atom beam by means of a 2D AMO; b) Capture this atomic beam by blue AMO and cool it to temperatures around 5 mK; c) Cool the atoms further by red AMO to temperatures around 300 nK; (d) transfer the wave of matter to the stationary wave of light; e) Inciting atoms to perform Bloch oscillations due to gravitational acceleration; f) Injecting a laser by pumping a mode of the annular cavity; g) Continuously and live measurement of the wave motion of matter.
[55] Na primeira etapa (a), a preparação de um feixe atômico é feita por meio da montagem do dispositivo apresentado nas figuras 4 e 5. Criado pela AMO-2D dentro da câmara (15), o feixe atômico é empurrado por meio de um feixe laser (18) e injetado na câmara principal (19).[55] In the first step (a), the preparation of an atomic beam is done by mounting the device shown in figures 4 and 5. Created by AMO-2D inside the chamber (15), the atomic beam is pushed through laser beam (18) and injected into the main chamber (19).
[56] Na etapa (b), os átomos do feixe são recapturados pela AMO azul e resfriados até uma temperatura em torno de 5 mK com a assistência de feixes laser em 461 nm e 497 nm.[56] In step (b), the beam atoms are recaptured by blue AMO and cooled to a temperature of about 5 mK with the assistance of laser beams at 461 nm and 497 nm.
[57] Na etapa (c), quando a armadilha é carregada com uma quantidade suficiente de átomos, os feixes laser da AMO azul são desligados e os feixes laser em 689 nm são ligados de maneira a operar uma AMO vermelha resfriando a nuvem atômica para uma temperatura em torno de 300 nK.[57] In step (c), when the trap is charged with a sufficient amount of atoms, the blue AMO laser beams are turned off and the 689 nm laser beams are turned on to operate a red AMO by cooling the atomic cloud to a temperature around 300 nK.
[58] Inicialmente, o local da AMO vermelha será um pouco deslocado do modo da cavidade (23) do dispositivo, de tal maneira que os processos de aprisionamento e resfriamento não são perturbados pela presença da cavidade. Ajustando os campos magnéticos da AMO vermelha, a nuvem de estrôncio pode agora ser movida para o interior da cavidade.[58] Initially, the red AMO site will be slightly shifted from the cavity mode (23) of the device such that the trapping and cooling processes are not disturbed by the presence of the cavity. By adjusting the magnetic fields of the red AMO, the strontium cloud can now be moved into the cavity.
[59] Na etapa (d), são ligados dois feixes laser em 532 nm se cruzando no interior da cavidade (23) sob o ângulo β = 101°. Tal geometria permite criar uma matriz de poços de potenciais em forma de pilha de panquecas (3), nas quais se acumulam os átomos em uma rede óptica unidimensional com a periodicidade 689 nm. É importante que o eixo da rede óptica seja alinhada ao braço vertical da cavidade (23). Uma vez que os átomos ficam aprisionados pela onda estacionária, os campos de luz e o campo magnético da AMO vermelha são desligados.[59] In step (d), two 532 nm laser beams intersecting within the cavity (23) at an angle β = 101 ° are connected. Such geometry allows to create a matrix of potential pancake-stacked wells (3) in which atoms accumulate in a one-dimensional optical network with the periodicity 689 nm. It is important that the optical network axis is aligned with the vertical arm of the cavity (23). Once atoms become trapped by the standing wave, the light fields and magnetic field of the red AMO are turned off.
[60] Na etapa (e), quando as intensidades dos feixes criando a onda estacionária são bem ajustadas [13,28], os átomos executam oscilações de Bloch, isto é, a onda de matéria é acelerada pelo campo gravitacional g até que o momento atômico é igual ao recuo fotônico. Neste instante os átomos espalham os fótons dos feixes e são acelerados para cima pelo recuo fotônico. De novo, a gravitação acelera os átomos (massa m) para baixo e o processo se repete. A frequência desta oscilação de Bloch é estritamente proporcional à aceleração gravitacional, vB = mg L/2h, onde AL = 689nm é a periodicidade da onda estacionária e h a constante de Planck. Para o estrôncio naquela transição obtemos vB = 745 Hz.[60] In step (e), when the beam intensities creating the standing wave are well adjusted [13,28], the atoms perform Bloch oscillations, that is, the matter wave is accelerated by the gravitational field g until the atomic moment is equal to photonic indentation. At this moment the atoms scatter the photons of the beams and are accelerated upwards by photonic retreat. Again, gravitation accelerates the atoms (mass m) down and the process repeats itself. The frequency of this Bloch oscillation is strictly proportional to the gravitational acceleration, vB = mg L / 2h, where AL = 689nm is the stationary wave periodicity and h is the Planck constant. For the strontium in that transition we get vB = 745 Hz.
[61] A velocidade instantânea da onda de matéria é tradicionalmente medida por imagens de absorção depois de um intervalo de expansão livre [33], Como esta imagem é feita por irradiação de um feixe laser que aquece a nuvem pelo recuo fotônico transmitido aleatoriamente aos átomos, a medida destrói a coerência da onda de matéria. Assim, cada medida precisa da criação de uma nova amostra de onda de matéria. Como o monitoramento de uma oscilação de Bloch e a identificação inequívoco do seu período requerem muitos pontos, o procedimento tradicional é trabalhoso. E como cada nova preparação de uma amostra é sujeita a flutuações (p.ex. no número de átomos ou na temperatura) a medida inteira é sujeita a incertezas.[61] The instantaneous velocity of the matter wave is traditionally measured by absorption images after a free expansion interval [33], as this image is taken by irradiation of a laser beam that heats the cloud by the photonic retreat transmitted randomly to atoms. , the measure destroys the coherence of the wave of matter. Thus each measurement needs to create a new wave sample of matter. Since monitoring a Bloch oscillation and unambiguously identifying its period requires many points, the traditional procedure is laborious. And since each new preparation of a sample is subject to fluctuations (eg, number of atoms or temperature) the entire measurement is subject to uncertainty.
[62] Na etapa (f), um laser (4) é injetado na cavidade (23) bombeando o modo vertical orientado de baixo para cima. O feixe laser é sintonizado não longe da linha de intercombinação do estrôncio em 689 nm, tal que seu comprimento de onda é comensurável com a periodicidade da rede atômica. A frequência do laser é travada à frequência do modo. A luz entrando na cavidade (23) e sendo parcialmente refletida pela onda de matéria (1) alimenta o modo contrapropagante da cavidade (23) e exerce uma retroação sobre o movimento da onda de matéria. Esta luz refletida, chamada de prova (8) é parcialmente transmitida pelo espelho (5) e refletida na separatriz (7), tal que a sua dinâmica pode ser monitorada por um detector de fótons (9) localizado no exterior da cavidade (23).[62] In step (f), a laser (4) is injected into the cavity (23) pumping the bottom-up oriented vertical mode. The laser beam is tuned not far from the strontium intercombination line at 689 nm, so that its wavelength is commensurate with the periodicity of the atomic network. The laser frequency is locked to the mode frequency. Light entering the cavity (23) and being partially reflected by the wave of matter (1) feeds the counter-propagating mode of the cavity (23) and exerts a backlash on the motion of the matter wave. This reflected light, called proof (8) is partially transmitted by the mirror (5) and reflected in the separator (7), such that its dynamics can be monitored by a photon detector (9) located outside the cavity (23) .
[63] O modo prova (8) contém informação sobre o movimento atômico, pois cada oscilação de Bloch dos átomos produz um pulso, como mostra a figura 2. Portanto, na etapa (g), basta observar a frequência dos pulsos para deduzir a frequência das oscilações de Bloch e a força de aceleração instantânea.[63] Proof mode (8) contains information about atomic motion, as each Bloch oscillation of atoms produces a pulse, as shown in Figure 2. Therefore, in step (g), just looking at the frequency of the pulses can be deduced. frequency of Bloch oscillations and instantaneous acceleration force.
Observação ao vivo [64] Assim, o método proposto permite observar ao vivo o movimento oscilatório de uma onda de matéria.Live observation [64] Thus, the proposed method allows to observe live the oscillatory motion of a matter wave.
[65] Gravímetros convencionais, por exemplo, o descrito por F. Sorrentino, et al., [22], precisam de muitos ciclos de preparação, resfriamento, oscilações de Bloch e detecção da velocidade instantânea para mapear as oscilações de Bloch. Por isso, o ciclo deve ser repetido muitas vezes, só para mapear uma única oscilação. Além de introduzir incertezas experimentais, essa repetição aumenta consideravelmente o tempo de resposta, isto é, o tempo necessário para fazer uma medida.[65] Conventional gravimeters, for example, as described by F. Sorrentino, et al., [22], require many setup cycles, cooling, Bloch oscillations, and instantaneous speed detection to map Bloch oscillations. Therefore, the cycle must be repeated many times just to map a single oscillation. In addition to introducing experimental uncertainties, this repetition considerably increases the response time, ie the time required to make a measurement.
[66] Em contraste, o funcionamento do gravímetro proposto é caracterizado pelo fato que ele só precisa de um ciclo, pois uma vez que os átomos executam oscilações de Bloch, elas podem ser monitoradas de maneira contínua, de forma diferente dos gravímetros conhecidos.[66] In contrast, the operation of the proposed gravimeter is characterized by the fact that it only needs one cycle, since since atoms perform Bloch oscillations, they can be continuously monitored differently from known gravimeters.
[67] Para o nosso gravímetro, sendo limitado somente pela frequência das oscilações de Bloch de vB = 745 Hz, esperamos tempos de resposta em torno de alguns millisegundos. Essa resposta rápida pode ser útil para medidas de variações temporais de fatores influenciando o campo gravitacional. Um exemplo é o deslocamento de massas pesados como aquelas de caminhões passando numa autoestrada. Localizado abaixo da estrada o gravímetro seria suficientemente rápido para permitir uma leitura da massa do caminhão.[67] For our gravimeter, being limited only by the frequency of Bloch oscillations of vB = 745 Hz, we expect response times around a few milliseconds. This rapid response may be useful for measuring time variations of factors influencing the gravitational field. An example is the displacement of heavy masses like those of trucks passing on a freeway. Located below the road the gravimeter would be fast enough to allow a reading of the truck mass.
[68] Embora a invenção tenha sido amplamente descrita, é óbvio para aqueles versados na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas visando aprimoramento do projeto sem que as referidas alterações não estejam cobertas pelo escopo da invenção.[68] Although the invention has been widely described, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications may be made to improve the design without such changes being covered by the scope of the invention.
Referências [1] A. Peters, K.Y. Chung. S. Chu, Nature 400, 849 (1999).References [1] A. Peters, K.Y. Chung S. Chu, Nature 400, 849 (1999).
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