BR102015007944B1

BR102015007944B1 - DEVICE AND METHOD FOR MEASURING GRAVITATIONAL ACCELERATION

Info

Publication number: BR102015007944B1
Application number: BR102015007944-3A
Authority: BR
Inventors: Philippe Wilhelm Courteille; Romain Pierre Marcel Bachelard
Original assignee: Universidade De São Paulo – Usp
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2022-08-09
Also published as: BR102015007944A2

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 a gravimeter based on atomic interferometry, in which atoms are cooled to a temperature at which they form a coherent matter wave and are then transferred within a vertical standing wave of light. quasi-resonant with an atomic transition. The atoms are placed inside 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 the 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 in a wide atomic transition and cool it to temperatures around 5 mK; c) Cooling the atoms further by a magneto-optical trap operated in a fine atomic transition to temperatures around 300 nK; d) Transfer the wave of matter to a standing wave of light; e) Inciting atoms to perform Bloch oscillations due to gravitational acceleration; f) Inject a laser by pumping an annular cavity mode and g) Measure continuously and live the motion of the matter wave. The proposed device and method also lead to the stabilization of the periodicity of its movement. Continuous monitoring and stabilization of Bloch oscillations leads to increased measurement accuracy.

Description

field of invention

[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.[1] The present invention refers to a device and method, in particular a gravimeter based on atomic interferometry with continuous monitoring and active stabilization, for use in the areas of Physics, Chemistry, Engineering, Geography and Geology, in order to measure acceleration gravitational.

Fundamentals of the invention and state of the art

[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.[2] Gravimeters are devices that measure the Earth's gravitational pull. The impressive accuracy of contemporary gravimeters makes them useful tools for a wide range of applications in industry and fundamental research. Applications include: - high precision gravimetric survey along seismic lines; - identification of geological structures with oil and gas reserves; - identification and mapping of metamorphic zones and faults; - monitoring the geodynamic safety of hydrocarbon deposits; - tidal wave monitoring.

[3] Aplicações industriais: Uma das aplicações mais interessantes 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 poderiam 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 the Earth's homogeneous gravitational potential and has interesting applications including the detection of concentrations of hidden masses (or the absence of them), that is, 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 sites of archaeological interest, 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 for which they are intended, 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 non-invasive 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 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 2x10 -8 m/s2 em tempos de integração de 1 s e precisões em torno de 4x10-9 m/s2 foram obtidas [2]. Gradientes de gravidade têm sido medidas com sensibilidade de 4x10-8 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, for temperatures below some 100 nanoKelvin, clouds of atoms form a matter wave characterized by its de Broglie wavelength. In analogy to optical interferometers, matter waves can be split, 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 for Mach-Zehnder or Ramsey-Bordé-type atomic interferometers. By exposing such an interferometer to gravitational acceleration, measuring the interference of matter wave, the device can be used as a gravimeter [1]. Gravity measurements with sensitivities of the order of 2x10 -8 m/s2 at integration times of 1 s and accuracies around 4x10 -9 m/s2 were obtained [2]. Gravity gradients have been measured with a sensitivity of 4x10-8 m/s2 in 1 s integration time. Higher accuracies can be achieved with longer 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 [10,1 1]. Sistemas transportáveis estão sendo desenvolvidos com desempenho similar para futuros experimentos no espaço [12].[7] Application of atomic gravimeters: These new atomic interferometry techniques are interesting both for fundamental research and for many practical applications, including geodesy, metrology, prospect engineering or for providing navigation aid in submarines [3,4]. Such accurate measurements have important repercussions in geophysical applications, including earthquake prediction [5], global warming studies, and microgravity measurement in drop towers and in space. Atomic interferometry is used for accurate measurements of gravitational acceleration [1,6,7], of gravity gradients in the Earth's gravitational field [8,9] and in gyroscopes [10,11]. Transportable systems are being developed with similar performance for 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 elevated in the gravitational field, so the gravitational acceleration is measured before dropping it, which takes some time. To prevent this procedure from limiting the time of integration of the useful signals, techniques were invented allowing the rapid recycling of 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 counterpropagating 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. Atoms accelerated in the gravitational field, immediately after reaching a moment corresponding to the photonic recoil moment, absorb a photon from the co-propagating laser and emit this photon into the co-propagating laser beam. This process reflects the movement of atoms as if they had found a springboard [16,17]. Atoms bounce many times on this trampoline performing a periodic motion called the Bloch oscillation and, ideally, never exceeding the moment of a photonic recoil.

[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 the mass of the atom, the gravitational acceleration and the periodicity of the standing wave, typically being on the order of 100-2000 Hz. Very low damping rates [18,19] allowed recording 10000 cycles of Bloch oscillations in more than 20 s. With such long coherence times, Bloch oscillations of cold atoms become viable for measurements of accelerating forces with high precision, for example, to measure 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 lattices [14,15]. Recently, new gravimeters based on the detection of Bloch oscillations with very high resolutions 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] Measurement of Bloch oscillations: Although Bloch oscillations allow, in principle, wide detection bands on the order of the oscillation frequency, in all current experiments oscillations are detected destructively. Such detection is performed by analyzing the instantaneous velocity of an atomic cloud by photographing its position after a time of flight. 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, Bloch oscillations can be reconstructed from which, based on a large number of measurements, the acceleration 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 the initial conditions of the cloud. 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 in a 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, that is, the integration time can be long. However, for local gravity measurements, a faster gravimeter response 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 anelar 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 anelares 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 desejavel.[13] Gain by optical cavities: The measurement process could be dramatically accelerated if instead of making successive images of atomic motion, the impact of atomic motion on a field of light is monitored continuously. In fact, recent experiments [23-25] have shown that atoms moving in a stationary light wave can change the amplitude or phase of the light wave, provided that such wave is sufficiently independent of the laser beams. One way to satisfy this requirement is to let the wave develop inside a high quality annular optical cavity. The role of the cavity is to amplify the interaction of the atoms with the light, because when the atoms oscillate inside the resonator, the feedback modulates the phase and the intensity of the light stored in the cavity [26]. A recent proposal [27] suggests the use of ring cavities operated in the cavity quantum electrodynamics (CQED) regime. Unfortunately, a problem occurs due to the interaction of the atoms with the light stored in the cavity, as this interaction is accompanied by a force accelerating the atoms, disturbing the Bloch oscillations and, consequently, falsifying the measurement of gravitational acceleration. Therefore, a process allowing the oscillations to self-stabilize 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 anelar [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 anelar [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 standing wave of light performed by a vertical retroreflected laser beam, but without annular cavity [22] and therefore without continuous monitoring and stabilization of atomic motion. On the other hand, there is a theoretical proposal for continuous monitoring of oscillations by 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 simultaneously 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] In US patent 4,874,942 to J.F. Claussen proposes the use of atomic matter wave interferometers as inertial sensors. An atomic beam is split and recombined by a sequence of light pulses. In the detection area, a matter wave interference is observed, which can be easily mapped through the excited state of the atoms. Thus, the sample is destroyed upon 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] The document 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 a sample of ultracold atoms upward where it is excited by a sequence of light pulses exciting Ramsey-Bordé-type Raman transitions. However, as with the aforementioned order, the sample is destroyed upon 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 recycling of atoms used in previous cycles. Repetition rates of 10 ms were 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 patent EP 1730553A1 an atomic interferometer based on Bloch oscillations to observe an inertial force. Despite the fact that the frequency of the oscillations responds instantaneously to the temporal variations of the force, the observation method does not allow continuous monitoring of Bloch oscillations with a single sample of atoms, but needs the preparation of a new sample for each measurement of a point of the 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, to date, there is no invention similar to the present proposal, that is, a device and method based on atomic interferometry, which allows continuous and live monitoring of the oscillatory movement of a wave of matter and the self-stabilization of the particles. Bloch oscillations.

Brief description of the invention

[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 anelar 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.[20] The invention relates to a gravimeter based on atomic interferometry, in which atoms are cooled to a temperature at which they form a coherent matter wave and are then transferred within a vertical standing wave of quasi-resonant light with a atomic transition. Atoms are placed inside 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 live monitoring of the oscillatory movement of the atomic matter wave through its impact on the light fields of the cavity. The proposed device and method also lead to the stabilization of the periodicity of its movement. Continuous monitoring and stabilization of Bloch oscillations leads to increased measurement accuracy.

Advantages of the invention

[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.[21] The invention provides a mechanism that amplifies the impact of the oscillatory motion of atoms on the light field stored in the cavity, in order to produce a live signal proportional to the gravitational force.

[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] Furthermore, it provides a mechanism for feedback from the cavity to the atoms, which actively not only cancels the force exerted by the light on the atoms, but also compensates for perturbations due to external effects, such as collisions or noise in the amplitude or phase of the space. standing wave confining the atoms.

[23] Dessa forma, a presente invenção apresenta aumento da precisão da medida desejada.[23] In this way, the present invention presents an increase in the precision of the desired measurement.

Brief description of figures

[24] O objetivo da invenção, juntamente com vantagens adicionais da mesma, poderá ser melhor entendido mediante referência às figuras anexadas e às seguintes descrições:[24] The object of the invention, together with additional advantages thereof, may be better understood by referring to the attached figures and the following descriptions:

[25] Figura 1 - Esquema do dispositivo, apresentando a cavidade anelar (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).[25] Figure 1 - Schematic of the device, showing the annular cavity (23) consisting of two high reflectivity mirrors (6) and one coupling mirror (5). It interacts with 88Sr atoms (1) confined by a standing wave of light (2).

[26] Figura 2 - Simulação da dinâmica. Gráfico superior: Evolução temporal do momento médio dos átomos <p>lab no sistema inercial do laboratório com N=40000 átomos. Gráfico inferior: Evolução do número médio de fótons |α|2 dentro do modo prova da cavidade.[26] Figure 2 - Dynamics simulation. Upper graph: Time evolution of the mean momentum of <p>lab atoms in the laboratory inertial system with N=40000 atoms. Bottom graph: Evolution of the average number of photons |α|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 - Schematic and photo of the main vacuum chamber.

[30] Figuras 7 e 8 - Esquema e foto da cavidade anelar mostrando os três espelhos e a estrutura de suporte da cavidade.[30] Figures 7 and 8 - Schematic and photo of the annular cavity showing the three mirrors and the cavity support structure.

[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 (grey boxes) and Pound-Drever-Hall electronics for frequency locking and detection and monitoring of the light beam carrying the oscillation signal of Bloch (green boxes).

Detailed description of the invention

[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.[32] While the present invention may be susceptible to different embodiments, it is shown in the drawings and in the following detailed discussion, a preferred embodiment with the understanding that the present description is to be considered an exemplification of the principles of the invention and is not intended to limit the present invention to what is illustrated and described herein.

[33] O conceito inventivo da presente invenção é esquematizado na figura 1. 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 anelar com três espelhos (5,6) fica montada em torno da nuvem atômica.[33] The inventive concept of the present invention is schematized in figure 1. A cloud of atoms (1) is trapped and cooled to a temperature below the photonic recoil limit, that is, typically around 300 nK, it is not necessary that this is a Bose-Einstein condensate. Afterwards, the atoms are loaded into a periodic optical trap (3), which consists of two crossed laser beams (2). The laser wavelength and crossover angle β are calculated to form a vertical stationary light wave with a periodicity, which corresponds to half the wavelength of the atomic intercombination transition at 689 nm. An annular cavity with three mirrors (5,6) is mounted around the atomic cloud.

Device for measuring gravitational acceleration

[34] Em um primeiro aspecto, a invenção provê um dispositivo para medida da aceleração gravitacional.[34] In a first aspect, the invention provides a device for measuring gravitational acceleration.

[35] O 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. The atoms are cooled to a temperature where they form a coherent matter wave and then transferred within a vertical standing wave of quasi-resonant light with an atomic transition. Here, atoms perform Bloch oscillations, the frequency of which is strictly proportional to gravitational acceleration.

[36] No presente pedido, propomos construir em torno da nuvem atômica (1) uma cavidade óptica anelar (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 build around the atomic cloud (1) an annular optical cavity (23) in such a way that one of the arms of the cavity is aligned to the vertical standing wave (3). When one of the two counterpropagating modes of the cavity is pumped by a laser beam (4), the light scattered by the atoms to the inverse mode (8), called proof, carries signatures of the speed of the 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, observing the proof mode (8), the device allows to continuously monitor the oscillatory movement of atoms, collect information on the periodicity of Bloch oscillations and, by this means, on the force (or temporal variations thereof) acting on atoms. As the measurement is made live on the same matter wave, information can be collected more quickly than using conventional techniques requiring each measurement to be made with a newly prepared matter wave. This also allows to improve the signal-to-noise ratio that can be obtained in shorter integration times.

Vacuum chamber concept

[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 (1 1), iônicas e de getter (12). O vácuo da câmara (1 5) 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).[38] The atoms must be prepared, together with the cavity (23) inside a vacuum chamber (15) and (19). Collisions of atoms with molecules of the residual gas limit the lifetime of the matter wave and, therefore, the useful measurement time for the inertial sensor. It is therefore essential to achieve extremely low pressures. Figure 4 shows a possible schematic for mounting the vacuum chamber. It is made of steel (non-magnetic to avoid magnetic fields disturbing the atoms), and fits in 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 (1 1), ionic and getter (12) vacuum pumps. The vacuum of the chamber (15) is maintained in a range of 10-8 to 10-9 mbar (ultrahigh vacuum, UHV). The vacuum of the chamber (19) is kept below 10-11 mbar (extreme ultrahigh vacuum, XUHV) [29] being 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 anelar (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 anelar. 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 anelar (23). A figura 5 mostra uma foto de uma realização possível. As janelas (33) são de vidro BK7. A junção entre a câmara (1 9) 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 the insertion of all beams into the main vacuum chamber (19). These are the six beams of the blue AMO (magnet-optical trap), the six beams of the red AMO, the re-pumping laser, the two beams of the optical network, 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 these cannot accommodate a support for the annular cavity. The concept of the main vacuum chamber (19) shown in figure 6 offers an excellent optical access allowing, at the same time, to incorporate a fixing (24) for the support (25) of the annular cavity (23). Figure 5 shows a photo of a possible realization. The windows (33) are made of BK7 glass. The junction between the chamber (19) and the windows (33) is made of indium wire, which is a metal soft enough to guarantee an airtight seal.

cooling device

[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.[40] It is proposed that the strontium element 88Sr be used, since the atomic gas of strontium is generated by current fed dispensers through an electrical feedthrough (14). However, other species can be used, such as ytterbium, rubidium or another atomic species that allows cooling to temperatures below the photonic recoil limit.

[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 ímãs (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 1S0 - 1P1 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 atoms of the gas will be captured and cooled by a two-dimensional magneto-optical trap (AMO-2D) consisting of a quadrupole magnetic field generated by magnets (16) and two pairs of counterpropagating laser beams (17) crossing each other. at right angles. The laser beams are tuned to 30 MHz below the strong atomic resonance of strontium 1S0 - 1P1 at 461 nm, which has a line width of 32 MHz. This device concentrates relatively cold atoms in a volume located in the area where the beams cross.

[42] Os átomos são agora empurrados por um outro feixe laser (1 8) 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 3P1 que, em torno,decai para o estado fundamental.[42] The atoms are now pushed by another laser beam (1 8) of the same frequency and pass through a 1 mm radius opening connecting the two chambers. Inside the main chamber (19) the atoms are recaptured again by a standard magneto-optical trap (blue AMO) [32] which consists of a quadrupole magnetic field generated by magnets (21) and three pairs of counterpropagating laser beams (22) crossing at right angles. Here the atoms are cooled to a temperature around 5 mK. To prevent the atoms from decaying to the metastable 3P2 state, it is necessary to irradiate a laser exciting the strontium transition at 497 nm, which pumps the atoms to the 3P1 state which, around it, 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 1S0 - 3P1 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 particularity of strontium, namely the existence of a 1S0 - 3P1 intercombination transition at 689 nm with a narrow linewidth 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 matter wave.

Vertical optical network concept

[44] Para criação da rede óptica vertical foram escolhidos dois feixes laser (2) de comprimento de onda A[at = 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 w[at = 500 μm.[44] To create the vertical optical network, two laser beams (2) of wavelength A[at = 532 nm, crossing each other at an angle of 101°, were chosen. At this angle the lattice 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 choose w[at = 500 μm.

Cavity concept and specification

[45] A cavidade anelar (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).[45] The proposed annular cavity (23) is schematized in figures 1 and 8. Figure 7 shows a photo of a possible realization. It consists of three mirrors forming a triangle with a right angle. The substrates of the mirrors (5,6) are cut in the shape of prisms to facilitate the passage of light beams through them and the fixation of the substrates in 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 support (25) of the cavity (23) is made of steel in order to provide a rigid structure eliminating vibrations excited by acoustic noise. Pre-shaped 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 current through a vacuum feedthrough (20). This allows tuning and control of the length and resonant frequency of the cavity (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 δfsr = 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 free path length of light within the cavity is L = 3.8 cm. Thus, the free spectral range becomes δfsr = c/L = 7.76 GHz. The two mirrors (6) of the vertical arm of the cavity (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 in order 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 K = (2π) 328 kHz. A força do acoplamento átomo-cavidade é g = (2π) 8,7 kHz. A cintura do modo da cavidade na posição de aprisionamento dos átomos é wcav = 70 μm.[48] With these reflectivities, we obtain a finesse of F = 1882 corresponding to a cavity decay rate of K = (2π) 328 kHz. The strength of the atom-cavity coupling is g = (2π) 8.7 kHz. The cavity mode waist at the atom entrapment position is wcav = 70 μm.

Matter wave auto-synchronization

[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>lab no sistema inercial do laboratório com N=40000 átomos. O gráfico inferior mostra a evolução do número médio de fótons |α|2 dentro do modo prova da cavidade. Obviamente, cada oscilação da nuvem é acompanhada por um pico na luz emitida pela cavidade (23).[49] In some parameter regimes, characterized by the depth of the dipole potential of the optical network W0 and the coupling force between the modes of the cavity U0, we can observe a self-synchronization effect [28] of the matter wave never described before. This effect results in a purification of the Bloch oscillations, which is visible in the simulations made in figure 2. The upper graph shows the time evolution of the mean momentum of <p>lab atoms in the laboratory inertial system with N=40000 atoms. The bottom graph shows the evolution of the average number of photons |α|2 within the cavity proof mode. Obviously, each cloud oscillation is accompanied by a peak 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 subject to noise due to the distribution of atoms at various speeds. After a few oscillations, due to the impact of the cavity, the atomic trajectories 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 = 3hurec, onde cori.,c = hk2/2m = 4.8 kHz é a frequência do recuo fotônico. A ressonância atômica dominante para força dipolar é aquela de 461 nm. Portanto, a profundidade do

e o comprimento de onda da ressonância e r461 sua largura natural. Resolvendo esta equação, obtemos que para gerar este potencial os lasers da rede óptica devem ter uma potência de Ptat = 1.7W.[51] To observe the self-synchronization effect of the matter wave, we need the lattice dipole potential depth to be around W0 = 3hurec, where cori.,c = hk2/2m = 4.8 kHz is the recoil frequency photonic. The dominant atomic resonance for dipole force is that of 461 nm. Therefore, the depth of

and the resonance wavelength and r461 its natural width. Solving this equation, we obtain that to generate this potential the lasers of the optical network must have a power of Ptat = 1.7W.

[52] A segunda condição para observar o 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 Uo = 0.04ha>ri.,C. Calculando a força de acoplamento entre os modos da cavidade como Uo = hgttbmb/4Δa, onde ttbmb 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 Δa = -(2π)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 α Δα.[52] The second condition to observe the self-synchronization effect is an adequate intensity of the light (4) pumping the cavity: On the one hand, this light must not disturb the confinement of the atoms in the standing wave (2), on the other hand it must be sufficient to allow detection of atomic motion and to stabilize this motion. A possible value for the coupling force between the cavity modes is Uo = 0.04ha>ri.,C. Calculating the coupling force between the cavity modes as Uo = hgttbmb/4Δa, where ttbmb is the Rabi frequency due to the pumping laser, and assuming a mismatch between the pumping laser and the intercombination transition of Δa = -(2π) )2 GHz we need to supply a power to the pumping laser of Pbmb = 0.1 nW. However, as the detuning can be chosen arbitrarily, the potency can as well. To keep the coupling force fixed we must increase the power quadratically with increasing detuning , Pbmb α Δα.

laser scheme

[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.[53] Several lasers are needed to compose the gravimeter (shown in figure 9). Lasers at 461 nm (27), 497 nm (28), 689 nm (29) and 532 nm (30) have been mentioned. These lasers are commercially available and their use in strontium manipulation has been shown in several publications. On the other hand, particular attention must be paid to the laser (31) pumping the cavity (23), as it needs to resonate with the cavity with high fidelity. Therefore, the cavity (23) is stabilized on the frequency of the incident laser beam by a Pound-Drever-Hall (PDH) locking electronics (32) [33], which regulates the piezoelectric ceramic (26) located on the support ( 25) of the cavity.

Gravitational acceleration measurement method

[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 resfriá-lo para temperaturas em torno 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 anelar; g) Medir continuamente e ao vivo o movimento da onda de matéria.[54] In a second aspect, the present invention provides a method of measuring gravitational acceleration, which comprises the following steps: a) Preparing a beam of cold atoms by means of an AMO-2D; b) Capture this atomic beam by the blue AMO and cool it to temperatures around 5 mK; c) Cooling the atoms further by a red AMO to temperatures around 300 nK; d) Transfer the wave of matter to a standing 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) Measure continuously and live the movement of the matter wave.

[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 assembling the device shown in figures 4 and 5. Created by the AMO-2D inside the chamber (15), the atomic beam is pushed through of a 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 the blue AMO and cooled to a temperature around 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 loaded with a sufficient amount of atoms, the blue AMO laser beams are turned off and the laser beams at 689 nm are turned on in order to operate a red AMO 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 location of the red AMO will be slightly offset 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 laser beams are connected at 532 nm, crossing each other inside the cavity (23) under angle β = 101°. Such geometry makes it possible to create a matrix of potential wells in the form of a stack of pancakes (3), in which atoms accumulate in a one-dimensional optical lattice with a periodicity of 689 nm. It is important that the axis of the optical network is aligned with the vertical arm of the cavity (23). Once the atoms are trapped by the standing wave, the light fields and the 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 = mgÀL/2h, onde AL = 689 nm 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 intensities of the beams 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 recoil. At this instant the atoms scatter the photons from the beams and are accelerated upwards by the photonic recoil. Again, gravitation accelerates the atoms (mass m) downwards and the process repeats. The frequency of this Bloch oscillation is strictly proportional to the gravitational acceleration, vB = mgÀL/2h, where AL = 689 nm is the stationary wave periodicity and h the Planck constant. For strontium at 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 made by irradiating a laser beam that heats the cloud by photonic recoil transmitted randomly to the atoms, the measurement destroys the coherence of the matter wave. Thus, each measurement needs the creation of a new sample wave of matter. As monitoring a Bloch oscillation and unambiguously identifying its period requires many points, the traditional procedure is cumbersome. And since each new sample preparation is subject to fluctuations (eg in the number of atoms or in 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 vertically oriented from bottom to top. The laser beam is tuned not far from the strontium intercombination line at 689 nm, such that its wavelength is commensurate with the periodicity of the atomic lattice. The laser frequency is locked to the mode frequency. The light entering the cavity (23) and being partially reflected by the matter wave (1) feeds the counterpropagating mode of the cavity (23) and exerts a feedback on the movement of the matter wave. This reflected light, called proof (8) is partially transmitted by the mirror (5) and reflected in the separatrix (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 the atomic motion, since each Bloch oscillation of the atoms produces a pulse, as shown in figure 2. Therefore, in step (g), it is enough to observe the frequency of the pulses to deduce the frequency of Bloch oscillations and the instantaneous acceleration force.

live observation

[64] Assim, o método proposto permite observar ao vivo o movimento oscilatório de uma onda de matéria.[64] Thus, the proposed method makes it possible to observe live the oscillatory movement of a wave of matter.

[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 the one described by F. Sorrentino, et al., [22], need many cycles of priming, cooling, Bloch oscillations and instantaneous velocity detection to map the 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, that is, 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, because once the atoms perform Bloch oscillations, they can be monitored continuously, 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 quick response can be useful for measurements of temporal variations of factors influencing the gravitational field. An example is the displacement of heavy masses like those of trucks passing on a highway. Located below the road, the gravimeter would be fast enough to allow a reading of the truck's 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. REFERÊNCIAS [1] A. Peters, K.Y. Chung, S. Chu, Nature 400, 849 (1999). [2] Zhou Lin, et al., Chin. Phys. Lett. 28, 013701 (2011). [3] A. Peters, K. Y. Chung, S. Chu, Metrologia 38, 25 (2001) [4] A. Bresson, Y. Bidel, P. Bouyer, B. Leone, E. Murphy, P. Silvestrin, Appl. Phys. B 84, 545 (2006). [5] J. Park, et al., Science 308, 1139 (2005). [6] M. Kasevich and S. Chu, Appl. Phys. B 54, 321 (1992). [7] H. Müller, S.w. Chiow, S. Herrmann, S. Chu, K.-Y. Chung, Phys. Rev. Lett. 100, 031101 (2008). [8] M.J. Snadden, J.M. McGuirk, P. Bouyer, K.G. Haritos, et al., Phys. Rev. Lett. 81 , 971 (1998). [9] J.M. McGuirk, G.T. Foster, J.B. Fixler, M.J. Snadden, et al., Phys. Rev. A 65, 033608 (2002). [10] T.L. Gustavson, P. Bouyer, M. Kasevich, Phys. Rev. Lett. 78, 2046 (1997). [11] 1] T.L. Gustavson, A. Landragin, M. Kasevich, Class. Quantum Grav. 17, 2385 (2000). [12] G.M. Tino, et al., Nucl. Phys. B, Proc. Suppl. 166, 159 (2007). [13] M. Ben Dahan, E. Peik, J. Reichel, Y. Castin, C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 76, 4508 (1996). [14] M. Greiner, I. Bloch, O. Mandel, T.W. Hansch, T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 87, 160405 (2001). [15] O. Morsch, J. H.Müller, M. Cristiani, D. Ciampini, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 140402 (2001). [16] S.R. Wilkinson, C.F. Bharucha, K.W. Madison, Qian Niu, et al., Phys. Rev. Lett. 76, 4512 (1996). [17] B.P. Anderson and M.A. Kasevich, Science 282, 1686 (1998). [18] G. Ferrari, N. Poli, F. Sorrentino, G.M. Tino, Phys. Rev. Lett. 97, 060402 (2006). [19] N. Poli, F.-Y. Wang, M.G. Tarallo, A. Alberti, et al., Phys. Rev. Lett. 106, 038501 (2011). [20] F. Sorrentino, et al., Phys. Rev. A 79, 013409 (2009). [21] P. Cladé, S. Guellati-Khélifa, C. Schwob, F. Nez, L. Julien, et al., Europhys. Lett. 71, 730 (2005). [22] F. Sorrentino, et al., Microgravity Sci. Technol. 22, 551 (2010). [23] D. Kruse, Ch. von Cube, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille, Phys. Rev. Lett. 91 , 183601 (2003). [24] A.T. Black, H.W. Chan, V. Vuletic, Phys. Rev. Lett. 91, 203001 (2003). [25] Th. Elsasser, B. Nagorny, A. Hemmerich, Phys. Rev. A 69, 033403 (2003). [26] B. Prasanna Venkatesh, M. Trupke, E.A. Hinds, D.H.J. O’Dell, Phys. Rev. A 80, 063834 (2009). [27] B.M. Peden, D. Meiser, M.LO. Chiofalo, M.J. Holland, Phys. Rev. A 80, 043803 (2009). [28] M. Samoylova, N. Piovella, D. Hunter, G.R.M. Robb, R. Bachelard, Ph.W. Courteille, Laser Phys. Lett. 11, 126005 (2014). [29] http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/ipac201 1/papers/ tups01 1.pdf. [30] http://etheses.bham.ac.uk/4635/1/Kock13PhD1.pdf. [31] Xinye Xu, Th.H. L.oftus, J.L. Hall, A. Gallagher, Jun Ye, J. Opt. Soc. Am. B 20, 968 (2003). [32] http://arxiv. org/abs/cond-mat/9904034. [33] R.W.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J. Hough, G.M. Ford, A.J. Munley, H. W. Ward, Appl. Phys. B 31, 97 (1983).[68] Although the invention has been extensively described, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications may be made to improve the design without said changes falling outside the scope of the invention. REFERENCES [1] A. Peters, K.Y. Chung, S. Chu, Nature 400, 849 (1999). [2] Zhou Lin, et al., Chin. Phys. Lett. 28, 013701 (2011). [3] A. Peters, K.Y. Chung, S. Chu, Metrologia 38, 25 (2001) [4] A. Bresson, Y. Bidel, P. Bouyer, B. Leone, E. Murphy, P. Silvestrin, Appl. Phys. B 84, 545 (2006). [5] J. Park, et al., Science 308, 1139 (2005 ). [6] M. Kasevich and S. Chu, Appl. Phys. B 54, 321 (1992). [7] H. Müller, S.w. Chiow, S. Herrmann, S. Chu, K.-Y. Chung, Phys. Rev. Lett. 100, 031101 (2008). [8] M.J. Snadden, J.M. McGuirk, P. Bouyer, K.G. Haritos, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 971 (1998). [9] J.M. McGuirk, G.T. Foster, J.B. Fixler, M.J. Snadden, et al., Phys. Rev. A 65, 033608 (2002 ). [10] T.L. Gustavson, P. Bouyer, M. Kasevich, Phys. Rev. Lett. 78, 2046 (1997). [11] 1] T.L. Gustavson, A. Landragin, M. Kasevich, Class. Quantum Grav. 17, 2385 (2000). [12] G.M. Tino, et al., Nucl. Phys. B, Proc. suppl. 166, 159 (2007). [13] M. Ben Dahan, E. Peik, J. Reichel, Y. Castin, C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 76, 4508 (1996). [14] M. Greiner, I. Bloch, O. Mandel, T.W. Hansch, T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 87, 160405 (2001). [15] O. Morsch, J.H.Müller, M. Cristiani, D. Ciampini, et al., Phys. Rev. Lett. 87, 140402 (2001). [16] S.R. Wilkinson, C.F. Bharucha, K.W. Madison, Qian Niu, et al., Phys. Rev. Lett. 76, 4512 (1996). [17] B.P. Anderson and M.A. Kasevich, Science 282, 1686 (1998). [18] G. Ferrari, N. Poli, F. Sorrentino, G. M. Tino, Phys. Rev. Lett. 97, 060402 (2006). [19] N.Poly, F.-Y. Wang, M.G. Tarallo, A. Alberti, et al., Phys. Rev. Lett. 106, 038501 (2011). [20] F. Sorrentino, et al., Phys. Rev. A 79, 013409 (2009 ). [21] P. Cladé, S. Guellati-Khélifa, C. Schwob, F. Nez, L. Julien, et al., Europhys. Lett. 71, 730 (2005). [22] F. Sorrentino, et al., Microgravity Sci. Technol. 22, 551 (2010). [23] D. Kruse, Ch. von Cube, C. Zimmermann, Ph.W. Courteille, Phys. Rev. Lett. 91, 183601 (2003). [24] A.T. Black, H.W. Chan, V. Vuletic, Phys. Rev. Lett. 91, 203001 (2003). [25] Th. Elsasser, B. Nagorny, A. Hemmerich, Phys. Rev. A 69, 033403 (2003 ). [26] B. Prasanna Venkatesh, M. Trupke, E.A. Hinds, D.H.J. O'Dell, Phys. Rev. A 80, 063834 (2009 ). [27] B.M. Peden, D. Meiser, M.LO. Chiofalo, M.J. Holland, Phys. Rev. A 80, 043803 (2009 ). [28] M. Samoylova, N. Piovella, D. Hunter, G.R.M. Robb, R. Bachelard, Ph.W. Courteille, Laser Phys. Lett. 11, 126005 (2014). [29] http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/ipac201 1/papers/tups01 1.pdf. [30] http://etheses.bham.ac.uk/4635/1/Kock13PhD1.pdf. [31] Xinye Xu, Th.H. L.oftus, J.L. Hall, A. Gallagher, Jun Ye, J. Opt. social love B 20, 968 (2003). [32] http://arxiv. org/abs/cond-mat/9904034. [33] R.W.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J.Hough, G.M. Ford, A.J. Munley, H.W. Ward, Appl. Phys. B 31, 97 (1983).

Claims

1. DEVICE FOR MEASURING GRAVITATIONAL ACCELERATION by atomic interferometry, characterized by comprising: a vacuum chamber (15) accommodating a magneto-optical trap (3) in two dimensions (AMO-2D) consisting of a quadripolar magnetic field generated by magnets (16) and two pairs of counterpropagating laser beams (17) crossing each other at right angles, into which an atomic cloud (1) is inserted that is pushed by the laser beam (18) into the main chamber (19), accommodating two magneto-optical traps (AMO blue) and (AMO red), each consisting of a quadrupole magnetic field generated by magnets (21) and three pairs of counterpropagating laser beams (22) crossing each other at right angles, with each chamber pumped by a set of turbo (1 1), ionic and getter (12) vacuum pumps, the atoms (1) being recaptured by the blue AMO and cooled and after adjusting the magnetic fields of the red AMO are cooled again, an optical cavity ring (23) containing three mirrors f forming a right-angled triangle with two of these high-reflectivity mirrors (6) and one coupling mirror (5) partially reflecting, in order to allow the entry of light that interacts with atoms (1) confined in the vertical arm of the annular cavity (23). ), the substrates of the mirrors (5,6) cut in the shape of prisms allow the passage of light beams through them and the fixing of the substrates in the predefined geometry of the support (25), which provides a rigid structure eliminating vibrations excited by acoustic noise , and the light (4) that enters the cavity (23) meets the atoms (1) in the downward direction, is scattered by the atoms (1) in the counterpropagating direction and is partially transmitted by the mirror (5) in such a way that allow continuously measuring the wave speed of atoms and collect information about the periodicity of Bloch oscillations.

2. DEVICE, according to claim 1, characterized in that atomic species are used that allow cooling to temperatures below the limit of photonic recoil.

3. DEVICE, according to claims 1 and 2, characterized in that the atomic species are: strontium, ytterbium and rubidium.

4. DEVICE according to claim 3 characterized in that the atomic species is preferably strontium (88Sr).

5. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the atoms (1) and the cavity (23) are prepared together in the vacuum chamber (19).

6. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the optical cavity (23) is built around the atomic cloud (1) so that one of the arms of the cavity (23) is aligned to the vertical standing wave (3) .

7. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the vacuum of the chamber (15) is maintained in a range of 10-8 to 10-9 mbar and that of the chamber (19) is kept below 1011 mbar .

8. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the chamber (19) incorporates a fixture (24) for the support (25) of the annular cavity (23).

9. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the junction between the chamber (19) and the windows (33) is made of indium wires.

10. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the exact location of the mirrors (5) and (6) is defined by pre-shaped edges.

11. DEVICE, according to claim 1, characterized in that one of the mirrors (6) of the cavity (23) is mounted on an arm, which can be moved slightly by elastic deformation under the force exerted by a piezo-electric ceramic (26) ) which is fed current through a vacuum feedthrough (20).

12. DEVICE, according to claim 1, characterized in that lasers are used in the lengths of 461 nm (27), 497 nm (28), 689 nm (29) and 532 nm (30).

13. DEVICE, according to claim 1, characterized in that the cavity (23) is stabilized on the frequency of the incident laser beam by a Pound-Drever-Hall locking electronics (32) that regulates the piezoelectric ceramic (26) located on the support (25) of the cavity.

14. METHOD FOR MEASURING GRAVITATIONAL ACCELERATION characterized by comprising the following steps: a) Preparing a beam of cold atoms by means of an AMO-2D; b) Capture this atomic beam by a blue AMO with a temperature around 5 mK; c) Cool the atoms by a red AMO to temperatures around 300 nK; d) Transfer the wave of matter to a standing wave of light; e) Inciting atoms to perform Bloch oscillations; f) Injecting a laser by pumping a mode of the annular cavity; g) Measure continuously and in situ the velocity of the matter wave.

15. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step a) a 2D magneto-optical trap (AMO-2D) is prepared inside the chamber (15), the atomic beam being pushed by means of a laser beam (1). 8) and injected into the main chamber (19).

16. METHOD, according to claim 14 characterized in that in step b) the beam atoms are recaptured by a magneto-optical trap operated in a wide atomic transition (blue AMO) and cooled to a temperature around 5 mK with the assistance of laser beams at 461 nm and 497 nm.

17. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step (c), the trap is loaded with a sufficient amount of atoms and the blue AMO laser beams are turned off and the laser beams at 689 nm are turned on in order to operate. a magneto-optical trap operated on a fine atomic transition (red AMO) cooling the atomic cloud to a temperature around 300 nK.

18. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step (d), two laser beams are connected at 532 nm, crossing each other inside the cavity (23) under angle β = 101 ° in order to create a matrix of wells of potentials in the form of a stack of pancakes (3), in which the atoms accumulate in a one-dimensional optical lattice with a periodicity of 689 nm, the axis of the optical lattice being aligned with the vertical arm of the cavity (23).

19. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step e) the atoms perform Bloch oscillations, the matter wave being accelerated by the gravitational field g until the atomic moment is equal to the photonic recoil, where the atoms scatter the photons beams and are accelerated upwards by photonic recoil.

20. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step f) a laser (4) is injected into the cavity (23) by pumping in the vertical mode oriented from the bottom to the top, in which the light entering the cavity (23) is partially reflected by the matter wave (1) feeding the counterpropagating mode of the cavity (23), generating the proof (8) and exerting a feedback on the movement of the matter wave, which is partially transmitted by the mirror (5) and reflected in the separatrix (7).

21. METHOD, according to claim 14, characterized in that the laser beam is tuned close to the strontium intercombination line at 689 nm, such that its wavelength is commensurate with the periodicity of the atomic lattice.

22. METHOD, according to claim 14, characterized in that the test (8) has its dynamics monitored by a photon detector (9) located outside the cavity (23).

23. METHOD, according to claim 14, characterized in that in step g) the fact that the test (8) contains information on the measurement of the speed of the matter wave and allows the deduction of the frequency of Bloch oscillations and the instantaneous acceleration force .

24. METHOD, according to claim 14, characterized in that the method allows for live observation of the speed of a wave of matter.

25. METHOD, according to claim 14, characterized in that the method allows obtaining a feedback exerted by the cavity (23) on the atoms (1) and stabilizing the periodicity of its oscillatory movement.