陸璇輝，曾大吉，章顯，黃凱凱

（1.浙江大學(xué) 物理系，杭州 310027；2.浙江大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，杭州 310027）

冷原子干涉重力儀在深空環(huán)境下的微重力探測(cè)

陸璇輝1,2，曾大吉1，章顯2，黃凱凱1

（1.浙江大學(xué) 物理系，杭州 310027；2.浙江大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院，杭州 310027）

主要介紹了冷原子干涉的基本概念和原子干涉重力儀的發(fā)展；介紹了原子干涉的基本原理和在微重力環(huán)境下原子干涉重力儀的優(yōu)勢(shì)；闡述了國(guó)際上微重力環(huán)境下原子干涉重力儀的研究現(xiàn)狀及其可能的應(yīng)用。相對(duì)其他重力儀而言，原子干涉重力儀成為深空重力場(chǎng)測(cè)量的上佳選擇，并且深空微重力環(huán)境可以有效延長(zhǎng)原子干涉儀的干涉時(shí)間，提高儀器靈敏度。

原子干涉；微重力；深空探測(cè)

0 引 言

地球重力場(chǎng)是反映地球的物質(zhì)分布與運(yùn)動(dòng)的基本物理場(chǎng)，在地球科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的研究中具有極其重要的作用。在大地測(cè)量領(lǐng)域，地球重力場(chǎng)對(duì)研究地球形狀、精確求定地面控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)起著重要的作用；在地球物理學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)中，基于地球重力場(chǎng)，可以研究地球的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行重力探礦等應(yīng)用，也可以研究地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)，用來(lái)預(yù)報(bào)地震；在海洋學(xué)中，為了研究海面地形，揭示海洋洋流、環(huán)流的活動(dòng)規(guī)律等，需應(yīng)用地球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)。

地球重力場(chǎng)的研究是科學(xué)界比較重要的基礎(chǔ)領(lǐng)域之一，地球重力場(chǎng)的研究相對(duì)于其他研究有著比較久的歷史。然而，在深空環(huán)境下探測(cè)微重力場(chǎng)的研究相比之下就比較“年輕”。微重力場(chǎng)與一般意義下的重力場(chǎng)的區(qū)別在于，一般意義下的重力場(chǎng)是指地球表面的重力場(chǎng)，而微重力則是指深空中遠(yuǎn)離大質(zhì)量天體引力環(huán)境的重力場(chǎng)。對(duì)地球探測(cè)而言，探測(cè)深空重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與其隨時(shí)間的變化從而獲得地球總體形狀的變化、全球海洋質(zhì)量的分布與變化、南北兩極冰川變化等等是海洋學(xué)、天文學(xué)甚至國(guó)防建設(shè)的需求，同時(shí)這也是為我國(guó)尋求新資源、保護(hù)環(huán)境預(yù)測(cè)災(zāi)害等等獲取信息的手段。

并且，如果將重力場(chǎng)的測(cè)量擴(kuò)展到重力梯度的測(cè)量、愛(ài)因斯坦等效原理驗(yàn)證與萬(wàn)有引力場(chǎng)數(shù)測(cè)量等，那么這些都可以在重力場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步地在其他更多領(lǐng)域（例如目前國(guó)際上比較火熱的空間技術(shù)領(lǐng)域）發(fā)揮作用。

現(xiàn)階段對(duì)于微重力的測(cè)量有不少方法，除了古老的單擺測(cè)重力之外，比較具有代表性的有彈簧重力儀、超導(dǎo)重力儀以及原子干涉重力儀。本篇著重介紹用于探測(cè)深空微重力場(chǎng)的原子干涉技術(shù)。我國(guó)對(duì)于深空微重力的研究并不算早，這一研究領(lǐng)域有待進(jìn)一步深入開(kāi)展。

1 原子干涉重力儀的研究動(dòng)態(tài)

關(guān)于干涉，人們最先想到的是光的干涉。19世紀(jì)的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了光的干涉，由此證明了光的波動(dòng)性。而20世紀(jì)德布羅意提出了波粒二象性，指出物質(zhì)有粒子性也有波動(dòng)性。也就是說(shuō)粒子也可以做出與光一樣的干涉實(shí)驗(yàn)。由此我們可以設(shè)想用粒子做出干涉實(shí)驗(yàn)的同時(shí)結(jié)合粒子受到重力作用來(lái)探測(cè)出重力加速度。

1991年，德國(guó)和美國(guó)的兩個(gè)小組幾乎同時(shí)報(bào)道了在高準(zhǔn)直原子束上采用微結(jié)構(gòu)光柵觀測(cè)到了原子干涉現(xiàn)象。1991年美國(guó)斯坦福大學(xué)的朱棣文教授小組利用雙光子Raman躍遷率先實(shí)現(xiàn)了原子干涉儀，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)原子干涉重力儀，并且指出原子干涉重力儀在重力測(cè)量上能具有相比傳統(tǒng)的單擺或角錐棱鏡自由落體等重力儀更高的精度和靈敏度[1-2]。1992年該小組的Na原子噴泉重力儀靈敏度達(dá)1.3×10–6g/Hz1/2，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，該小組的Cs原子重力儀靈敏度達(dá)1×10–8g/Hz1/2[3]，準(zhǔn)確度達(dá)3×10–9g。法國(guó)BNM小組直接利用經(jīng)過(guò)冷卻和囚禁之后的87Rb原子自由下落測(cè)重力加速度，靈敏度達(dá)1.4×10–8g/Hz1/2[4-5]。意大利佛羅倫薩大學(xué)Tino小組的MAGIA實(shí)驗(yàn)室測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，原子重力儀的分辨率達(dá)4.3×10–6g/Hz1/2[6-8]。從此原子干涉重力儀在國(guó)際上備受關(guān)注。

最近十幾年，國(guó)內(nèi)開(kāi)展原子干涉重力測(cè)量的研究單位有中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等研究小組，相繼取得了地面測(cè)量重力加速度的值。最近幾年，又有一些單位開(kāi)展了基于原子干涉儀的重力加速度測(cè)量研究，如中國(guó)計(jì)量研究院等。

原子干涉儀重力加速度的地面研究為深空的微重力探測(cè)奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但是原子干涉在深空中與地面還是有較大的區(qū)別。

2 原子干涉原理簡(jiǎn)介

光學(xué)上的干涉儀（如圖1所示的Mach-Zehnder干涉儀）實(shí)質(zhì)上是兩束光相位的干涉疊加，一般來(lái)說(shuō)需要對(duì)一束光進(jìn)行分束、反射和重合這三步。在光學(xué)干涉儀中這三步由Raman光與冷原子相互作用操控原子態(tài)來(lái)完成（Raman光通常由一對(duì)相向傳播并且有一定頻差的兩束激光構(gòu)成）。

圖1 光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀Fig.1 Optical Mach-Zehnder interferometer

原子干涉儀（如圖2所示）與光學(xué)上的干涉儀具有一定的類似性。與光學(xué)干涉不同的是干涉疊加的是冷原子的量子態(tài)。

圖2 原子干涉儀Fig.2 Atom interferometer

圖3是三能級(jí)的雙光子受激Raman躍遷過(guò)程，k1、k2代表Raman光里兩束光的波矢，是原子團(tuán)的初態(tài)，a代表原子的量子態(tài)，p代表原子的動(dòng)量。可以看到當(dāng)Raman光與相互作用時(shí)，原子團(tuán)先對(duì)k1的光受激吸收躍遷到態(tài)，再通過(guò)與k2的光受激輻射之后躍遷到，由此可以看出原子團(tuán)與Raman光相互作用后改變了量子態(tài)的同時(shí)也改變了原子的動(dòng)量。

圖3 雙光子受激Raman躍遷示意圖Fig.3 Schematic diagram of two-photon Raman transition

原子干涉的大概過(guò)程是先在原子團(tuán)通過(guò)磁光阱技術(shù)被冷卻并被囚禁后，改變囚禁光的頻率使原子團(tuán)獲得一個(gè)向上的初速度，形成冷原子噴泉。在原子向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)態(tài)制備選出一定速度分布的磁量子數(shù)為0的原子（如圖2中的態(tài)），在繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，先后與三束Raman光作用。第三束的π/2脈沖Raman光作用后，原子團(tuán)相互干涉，形成|a,p〉和的疊加態(tài)。原子干涉結(jié)束后原子處在各個(gè)態(tài)的概率與其運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)，最后對(duì)原子的末態(tài)進(jìn)行探測(cè)，利用收集到的熒光信號(hào)得到原子處在某一個(gè)態(tài)的布居數(shù)（正比于態(tài)的幾率幅的平方），由此獲得干涉條紋。如果選擇探測(cè)處在態(tài)的原子，理論計(jì)算得到其相對(duì)布居數(shù)為[10]

?是干涉儀的相位差，帶有重力加速度的信息

其中：keff是Raman光的有效波矢；g是所測(cè)的重力加速度；2T是原子自由演化的時(shí)間。如果對(duì)原子空間自由演化進(jìn)行費(fèi)曼路徑積分，可以得到原子自由演化所產(chǎn)生的相位差為0。也就是說(shuō)原子干涉最終所產(chǎn)生的相位差來(lái)自于原子與Raman脈沖光的相互作用。

當(dāng)前，國(guó)際上各研究小組為提高原子干涉儀的相位靈敏度極限，除了提高物質(zhì)波演化時(shí)間T（將在下文提到），也在嘗試采用不同的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)原子分束器和反射器，從提高干涉儀時(shí)空面積這一角度來(lái)提高靈敏度。為此，Raman光脈沖由所謂的大動(dòng)量傳輸技術(shù)替代，比如光學(xué)Bragg脈沖。原子受激Bragg躍遷示意圖如圖4所示。

圖4 原子受激Bragg躍遷示意圖Fig.4 Schematic diagram of stimulated Bragg transition

從經(jīng)典角度看，原子在光場(chǎng)中的Bragg躍遷可以類比為光束在晶體中的Bragg衍射。而從量子角度看，Bragg躍遷也是受激雙光子躍遷過(guò)程。如圖4所示，原子受激吸收一個(gè)頻率為p1的光子并受激發(fā)射一個(gè)頻率為p2的光子，它與Raman躍遷的區(qū)別在于原子最終回到同一基態(tài)（內(nèi)態(tài)），僅改變動(dòng)量態(tài)（外態(tài)）。而原子增加的動(dòng)量所對(duì)應(yīng)的能量差則來(lái)自于兩個(gè)光子的頻率差：。Bragg躍遷的一大優(yōu)勢(shì)是，原子可以持續(xù)參與n個(gè)雙光子過(guò)程（所謂n階Bragg躍遷），從而得到n倍于Raman躍遷的動(dòng)量改變量。根據(jù)Bragg躍遷的Rabi振蕩模型，其有效Rabi頻率為

其中：Ω是雙光子Rabi頻率；pr是單光子反沖動(dòng)量。

根據(jù)Rabi頻率精確控制Bragg脈沖寬度，同樣可以制備對(duì)原子的π/2脈沖和π脈沖并組成原子干涉儀。這樣，在相同的原子干涉時(shí)間T內(nèi)，干涉儀包圍的時(shí)空面積擴(kuò)大n倍，其潛在的相位靈敏度相應(yīng)地也提高n倍

由于Bragg躍遷的這種優(yōu)越性，已有若干研究小組采用這一技術(shù)獲得了新型的原子干涉儀[12-15]。理論精度可以高于Raman干涉儀。

3 微重力下的原子干涉重力儀

原子干涉儀在精密測(cè)量上有著許多內(nèi)在的優(yōu)越性，潛在精度比傳統(tǒng)重力儀高，但是目前的測(cè)量精度還遠(yuǎn)未達(dá)到原子干涉重力儀的物理極限。比如在地面實(shí)驗(yàn)室，重力限制了原子的自由飛行時(shí)間（也就是自由演化時(shí)間），以及相干波長(zhǎng)，對(duì)于后者國(guó)際上已有多個(gè)理論研究關(guān)于重力引起的退相干機(jī)制[16-18]。

由此可以看出，更高的自由演化時(shí)間，能夠得到更好的重力加速度分辨率。

針對(duì)這一目標(biāo)，國(guó)際上有研究小組基于地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用光學(xué)勢(shì)阱如光晶格等對(duì)原子干涉儀的物質(zhì)波進(jìn)行囚禁，這樣，物質(zhì)波在光晶格中作Bloch振蕩，其相干性得到保存，而避免了原子團(tuán)的自由落體和擴(kuò)散，從而可以獲得更長(zhǎng)的秒量級(jí)的原子干涉演化時(shí)間T，同時(shí)也縮小了干涉儀的整體尺寸[20-21]。然而，由于光學(xué)勢(shì)阱本身噪聲對(duì)原子相干性的破壞，原子干涉儀的條紋對(duì)比度衰減較快，尚不能體現(xiàn)在靈敏度的提高上。

深空微重力環(huán)境對(duì)去除制約釋放原子干涉重力儀潛力、提高測(cè)量精度有著很大的幫助。首先，微重力的環(huán)境可以大幅提高原子自由飛行時(shí)間到秒級(jí)別，從而獲得更高的精度。其次，重力作用影響減弱后，可以用激光冷卻來(lái)獲得更低的原子團(tuán)溫度，即原子團(tuán)的擴(kuò)散速度更低。如此在相同的Raman光作用下，可以大幅提高相互作用時(shí)間和相干長(zhǎng)度。在地面實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，原子干涉重力儀的相互作用時(shí)間一般在百毫秒到秒的量級(jí)，所需的空間長(zhǎng)度往往達(dá)到1 m以上乃至10 m[22-23]。而在深空微重力環(huán)境下，原子干涉相互作用時(shí)間可以提高到幾秒到十幾秒，所需的空間長(zhǎng)度可以縮短到幾十厘米。因此微重力環(huán)境不僅有利于縮小實(shí)驗(yàn)儀器的尺寸，還能大大提高干涉儀的分辨率。

相比于地面重力測(cè)量而言，太空中冷原子干涉的重力測(cè)量值將有很大的提升空間，如表1所示。

表1 冷原子干涉重力測(cè)量值能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance expectation of cold atomic gravimeters

4 微重力下的原子干涉重力儀的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

當(dāng)前，地面原子干涉重力儀按結(jié)構(gòu)可分為噴泉式和自由下落式，各有不同的小組在使用這些方法。其中使用噴泉式的有法國(guó)太空局的ICE計(jì)劃等，使用自由下落式的有德國(guó)太空局的QUANTUS計(jì)劃等。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外各小組均致力于通過(guò)不斷提高實(shí)驗(yàn)精度極限來(lái)提高原子干涉儀的靈敏度。

歐洲航天局（ESA）的SAI，做到在地面上的自由演化時(shí)間為2 T～100 ms，得到加速度精度10–8m/s2。而在太空中預(yù)計(jì)可以做到自由演化時(shí)間2 T～2 s，測(cè)量重力加速度精度到5×10–11m/s2[19]。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（National Research Lab in France，CNRS）和巴黎天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展的空中微重力（飛機(jī)自由落體）原子干涉儀實(shí)驗(yàn)也達(dá)到了2×10–4m/s2/Hz1/2的測(cè)量靈敏度[24]。

也有小組在自己地面上的原子干涉重力儀的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)在深空中對(duì)于自由下落式和噴泉式的自由演化時(shí)間可以分別做到4.7 s和9.7 s，由此得到的精度分別可以達(dá)到6.2×10–11m/s2和5.5×10–12m/s2[25]。

另一方面，許多小組也在嘗試通過(guò)減小實(shí)驗(yàn)儀器的大小重量等來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的便攜性，研制可移動(dòng)原子干涉重力儀，并致力于它的商業(yè)化。斯坦福大學(xué)的Kasevich小組為慣性導(dǎo)航已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一套具有便攜性的重力與重力梯度儀。法國(guó)波爾多大學(xué)的Bouyer小組也在便攜式原子干涉重力儀領(lǐng)域獲得了多項(xiàng)專利并推出了商用型產(chǎn)品。

小型化冷原子干涉儀的另一個(gè)目的是為深空微重力干涉儀做工程上的準(zhǔn)備。在太空環(huán)境下，干涉儀整機(jī)的空間尺寸和功耗成為主要考慮的幾項(xiàng)因素之一。美國(guó)宇航局NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、法國(guó)巴黎天文臺(tái)以及德國(guó)洪堡大學(xué)等在重力儀上實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化、堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，為重力儀升空做了準(zhǔn)備。JPL的“冷原子實(shí)驗(yàn)室”（CAL）計(jì)劃在2017年8月升空[26]。

除了慣性導(dǎo)航和測(cè)繪，深空原子干涉儀的另一個(gè)應(yīng)用前景是引力波探測(cè)。2015年9月，美國(guó)的地面激光干涉引力波天線（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，LIGO）首次直接探測(cè)到來(lái)自兩個(gè)黑洞合并而產(chǎn)生的引力波[27]。此后，關(guān)于在太空開(kāi)展引力波探測(cè)的提議和計(jì)劃再次成為熱點(diǎn)[28]。而深空原子干涉儀也是其中的備選之一[29-30]。根據(jù)理論分析，原子干涉儀將可以在相對(duì)LIGO更低的頻帶（Hz量級(jí)甚至更低）上探測(cè)引力波，從而拓寬對(duì)不同類型引力波源的探測(cè)范圍。一般來(lái)說(shuō)，原子干涉儀對(duì)引力波的探測(cè)是梯度測(cè)量，在地面實(shí)驗(yàn)室米級(jí)尺度上，由（Raman/ Bragg激光反射鏡）機(jī)械振動(dòng)等引起的雙光子間的相位噪聲是共模噪聲，可以在干涉儀相位提取過(guò)程中被消除。然而，在深空原子干涉梯度儀中，由于用于梯度測(cè)量的兩個(gè)物質(zhì)波干涉儀的空間距離較遠(yuǎn)（千米乃至百千米尺度），在光束傳播經(jīng)過(guò)兩個(gè)干涉儀所需的時(shí)間內(nèi)，機(jī)械振動(dòng)噪聲將使雙光子間的相位噪聲變成非共模噪聲，從而破壞干涉儀的相干性和靈敏度。為此，斯坦福大學(xué)Kasevich小組提出了單光子干涉儀的概念[30]，來(lái)消除上述因素的影響，如圖5所示。

圖5 單光子原子干涉梯度儀示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of atom interferometer gradiometer with single photon[29]

在這種設(shè)置下，每一次發(fā)生光脈沖，單個(gè)光子將二能級(jí)原子激發(fā)躍遷到另一能級(jí)，兩個(gè)原子干涉儀所感受到的相位都是一致的，從而避免了雙光子躍遷型干涉儀中非共模噪聲的影響。目前，堿土金屬原子為這種單光子型原子干涉儀的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。堿土金屬原子（比如鍶原子）的激發(fā)態(tài)3P0是亞穩(wěn)態(tài)，具有百秒量級(jí)的能級(jí)壽命，這意味著百秒量級(jí)的相干時(shí)間。目前國(guó)際上，斯坦福大學(xué)的Kasevich小組和佛羅倫薩大學(xué)的Tino小組等課題組正在試驗(yàn)利用鍶原子的基態(tài)1S0和3P0態(tài)之間的躍遷（698 nm）來(lái)形成原子干涉儀。對(duì)于深空原子干涉儀引力波探測(cè)，當(dāng)前的主要研究則處于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)單光子型原子干涉儀階段。

深空原子干涉儀還有一項(xiàng)重要應(yīng)用是檢驗(yàn)弱等效原理，這是廣義相對(duì)論的重要理論基礎(chǔ)。此項(xiàng)應(yīng)用建立在種類不同的雙原子干涉儀的基礎(chǔ)上，通過(guò)探測(cè)兩種原子在干涉儀中的（相對(duì)）相位，來(lái)測(cè)量它們?cè)谧杂陕潴w運(yùn)動(dòng)中的加速度是否一致。在地面重力環(huán)境中，近年來(lái)此類測(cè)試（87Rb-39K[31]，88Sr-87Sr[32]等）達(dá)到的精度一直限制在10–7量級(jí)，最近運(yùn)用85Rb-87Rb[33]達(dá)到10–8量級(jí)。而在深空，借助于微重力環(huán)境下的更低溫度的超冷原子和更長(zhǎng)的干涉儀相干時(shí)間，此類驗(yàn)證有望達(dá)到10–15量級(jí)。目前，歐洲航天局（ESA）的QWEP計(jì)劃和STE-QUEST[34]計(jì)劃，以及法國(guó)的ICE[35]計(jì)劃和德國(guó)的QUANTUS計(jì)劃[36]等都在為此而努力。

總之，深空微重力探測(cè)有許多應(yīng)用，如引力波探測(cè)、暗物質(zhì)的探測(cè)和弱等效原理檢驗(yàn)等，前景非常誘人。

5 結(jié) 論

原子干涉重力儀已經(jīng)在重力場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域達(dá)到了非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的精度，其相對(duì)SQUID超導(dǎo)重力儀來(lái)說(shuō)較小的設(shè)備要求，以及相對(duì)單擺或自由落體角錐棱鏡重力儀而言因激光驅(qū)動(dòng)而具備的靈活性，使得它成為深空重力場(chǎng)測(cè)量的上佳選擇。并且深空微重力環(huán)境可以有效地延長(zhǎng)原子干涉儀的干涉時(shí)間，提高儀器靈敏度。當(dāng)前，限制原子干涉儀性能的一個(gè)主要因素，是原子團(tuán)擴(kuò)散疊加Raman/Bragg光束（往往是高斯光束）非均勻光強(qiáng)分布引起的ac-Stark頻移而造成的相位非均勻性[12,37]。在將來(lái)，要想提高深空原子干涉重力儀的精度，一方面要提高干涉光束質(zhì)量比如利用平頂高斯光束作Raman/Bragg光束來(lái)降低上述影響；另一方面，需要制備更冷的原子的技術(shù)，比如BEC、Raman邊帶冷卻[38-39]、Delta-kick冷卻（原子透鏡效應(yīng)）[40]，來(lái)獲得更長(zhǎng)的自由演化時(shí)間、更好的物質(zhì)波相干性，以及更均勻的干涉儀相位。同時(shí)也要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)，在保證原子干涉重力儀精度的同時(shí)保證好其堅(jiān)固性從而使儀器能夠承受升空時(shí)巨大的加速度變化，并順利升空，同時(shí)能在太空正常工作。

[1]Kasevich M，Chu S.Atomic interferometry using stimulated Raman transitions[J].Physical Review Letters，1991，67（2）：181-184.

[2]Kasevich M，Chu S.Measurement of the gravitational acceleration of an atom with a light-pulse atom interferomter[J].Applied Physics B ：Lasers and Optics，1992，54（5）：321-332.

[3]Peters A，Chung K，Chu S.High-precision gravity measurements using atom interferometry[J].Metrologia，2003，38（1）：25-62.

[4]Le Gouet L，Mehlstubler T，Kim J，et al.Limits to the sensitivity of a low noise compact atomic gravimeter[J].Applied Physics B：Lasers and Optics，2008，92（2）：133-144.

[5]Cheinet P，Pereira Dos Santos F，Petelski T，et al.Compact laser system for atom interferometry[J].Applied Physics B：Lasers and Optics，2006，84（4）：643-646.

[6]Petelski T.Atom interferometers for precision gravity measurements[D].Firenze：Firenze University，2005.

[7]Sorrentino F，Lien Y，Rosi G，et al.Sensitive gravity-gradiometry with atom interferometry：progress towards an improved determination of the gravitational constant[J].New Journal of Physics，2010，12（9）：474-479.

[8]Poli N，Wang F，Tarallo M，et al.Precision measurement of gravity with cold atoms in an optical lattice and comparison with a classical gravimeter[J].Physical Review Letters，2011，106（3）：426-432.

[9]Borde C.Theoretical tools for atom optics and interferometry[J].Comptes Rendus de l’Academie des Sciences-Series IV-Physics，2001，2（3）：509-530.

[10]Berman P R.Atom interferometry[M].New York：Academic Press，1997.

[11]Weiss D，Young B，Chu S.Precision measurement of /mCsbased on photon recoil using laser-cooled atoms and atomic interferometry[J].Applied Physics B：Lasers and Optics，1994，59（3）：217-256.

[12]Kovachy T，Asenbaum P，Overstreet C，et al.Quantum superposition at the half-metre scale[J].Nature，2015，528，530-533.

[13]Müller H，Chiow S W，Herrmann S，et al.Atom interferometers with scalable enclosed area[J].Physical Review Letters，2009，102（24）：240403.

[14]Altin P A，Johnsson M T，Negnevitsky V，et al.Precision atomic gravimeter based on Bragg diffraction[J].New Journal of Physics，2013，15（5）：23009-23027.

[15]Mazzoni T，Zhang X，Del Aguila R，et al.Large-momentum-transfer Bragg interferometer with strontium atoms[J].Physical Review A，2015，92（5）：053619.

[16]Zych M，Costa F，Pikovski I，et al.Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time[J].Physics，2011，2（3）：487-502.

[17]Pikovski I，Zych M，Costa F，et al.Universal decoherence due to gravitational time dilation，[J].Nature Physics，2015，11（8）：668-672.

[18]Pang B H，Chen Y，Khalili F Y.Universal decoherence under gravity：a perspective through the equivalence principle[J].Physical Review Letter，2016，117（9），090401.

[19]Sorrentino F，Bongs K，Bouyer P，et al.The space atom interferometer project：status and prospects[J].Journal of Physics：Conference Series，2011，327（1）：111-118.

[20]Charrière R，Cadoret M，Zahzam N，et al.Local gravity measurementwith the combination of atom interferometry and Bloch oscillations[J].Physical Review A，2011，85（1）：3353-3366.

[21]Zhang X，del Aguila R，Mazzoni T，et al.Trapped-atom interferometer with ultracold Sr atoms[J].Physical Review A，2016，94: 043608.

[22]Sugarbaker A.Atom interferometry in a 10 m fountain[D].PaloAlto：Stanford University，2014.

[23]湖北省人民政府門(mén)戶網(wǎng)站.原子“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”精度達(dá)10–8武漢科學(xué)家創(chuàng)世界紀(jì)錄[EB/OL].(2015-07-22)[2016-11-01].http://www.hubei.gov.cn/2015change/2015sq/sq/201507/t20150722_692844.shtml.

[24]Geiger P，Ménoret V，Stern G，et al.Detecting inertial effects with airborne matter-wave interferometry[J].Nature Communications，2011，2（1）：474-474.

[25]Müntinga H，Ahlers H，Krutzik M，et al.Interferometry with Bose-Einstein Condenstates in Microgravity，Physical Review Letters，2013，110（9）：1-1.

[26]Anderson D.The CAL science module and science instrument are in the final stages of assembly prior to system test[EB/OL].[2016-11-01].http://coldatomlab.jpl.nasa.gov/.

[27]Abbott B P.（LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration），observation of gravitational waves from a binary black hole merger[J].Physical Review Letters，2016，116: 061102.

[28]Vitale S.LISA pathfinder completes first operations phase[EB/OL].[2016-11-01].http://sci.esa.int/lisa-pathfinder.

[29]Hogan J M，Johnson D M S，Dickerson S，et al.An atomic gravitational wave interferometric sensor in low earth orbit （AGIS-LEO）[J].General Relativity and Gravitation，2011，43: 1953-2009.

[30]Graham P W，Hogan J M，Kasevich M A，et al.New method for gravitational wave detection with atomic sensors[J].Physical Review Letters，2013，110（17）：278-284.

[31]Schlippert D，Hartwig J，Albers H，et al.Quantum test of the universality of free fall[J]，Physical Review Letters，2014，112（20）: 203002.

[32]Tarallo M G，Mazzoni T，Poli N，et al.Test of einstein equivalence principle for 0-spin：and half-integer-spin atoms：search for spin-gravity coupling effects[J].Physical Review Letters，2014，113（2）：023005.

[33]Zhou L，Long S T，Tang B，et al.Test of equivalence principle at 10–8Level by a dual-species double-diffraction raman atom interferometer [J].Physical Review Letters，2015，115（1）: 013004.

[34]Tino G M，Sorrentino F，Aguilera D，et al.Precision gravity tests with atom interferometry in space[J].Nuclear Physics B Proceedings Supplements，2012，243：203-217.

[35]Stern G，Battelier B，Geiger R，et al.GLight pulse atom interferometry in microgravity[J].The European Physical Journal D，2009，53（3）：353-357.

[36]Gaaloul N，H.Ahlers H，Schulze T A，et al.Quantum tests of the equivalence principle with atom interferometry[J].Acta Astronautica，2010，67（9）：1059-1062.

[37]Parker R H，Yu C，Estey B，et al.Controlling the multiport nature of bragg diffraction in atom interferometry[J].Arxiv preprint arXiv，2016，1609：06344.

[38]Hamann S E，Haycock D L，Klose G，et al.Resolved-sideband raman cooling to the ground state of an optical lattice[J].Physical Review Letters，1998，80（19）：4149-4152.

[39]Thompson J D，Tiecke T G，Zibrov A S，et al.Coherence and Raman sideband cooling of a single atom in an optical tweezer[J].Physical Review Letters，2013，110（13）：428-432.

[40]Kovachy T，Hogan J M，Sugarbaker A，et al.Matter wave lensing to picokelvin temperatures[J].Physical Review Letters，2015，114（14）：345-356.

陸璇輝（1957– ），男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：冷原子物理和精密測(cè)量。

通信地址：杭州市浙大路38號(hào)浙江大學(xué)物理系（310027）

E-mail：xhlu@zju.edu.cn

曾大吉（1991– ），男，碩士研究生。主要研究方向：光學(xué)和原子物理。

E-mail：3100101041@zju.edu.cn

Exploration of Microgravity by Using the Cold Atom Interferometer in Deep Space Environment

LU Xuanhui1,2，ZENG Daji1，ZHANG Xian2，HUANG Kaikai1

（1.Department of Physics，Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；2.Institute of Advanced Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

The fundamental principle of atom interferometer and the advantages of atom gravimeter in microgravity environment are introduced and the present research status and potential applications of atom gravimeters in microgravity environment are described.Compared with other gravimeters, the atomic interference gravimeter becomes a good choice for deep space gravitational field measurement, and the deep space microgravity environment can effectively prolong the interference time of the atomic interferometer and improve the gravimeter sensitivity.

cold atom interferometer；microgravity；deep space exploration

P631.11

：A

：2095-7777（2017）01-0020-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.003

陸璇輝，曾大吉，章顯，等.冷原子干涉重力儀在深空環(huán)境下的微重力探測(cè)[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（1）：20-25.

Reference format：Lu X H，Zeng D J，Zhang X，et al.Exploration of microgravity by using the cold atom interferometer in deep space environment [J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（1）：20-25.

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱魯青]

2016-11-01

2016-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11474254）；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB921602）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2016XZZX004-01）