原子干涉仪

1. 基本概念与核心原理
   原子干涉仪是一种利用中性原子（如铷、铯等）的波动性进行精密测量的仪器。其核心原理与光干涉仪类似，但将光波替换成了“物质波”。根据德布罗意假设，运动粒子具有波动性，其波长λ = h/p，其中h为普朗克常数，p为粒子的动量。原子干涉仪就是通过激光操控原子波包，使其分束、偏转和合束，形成物质波的干涉条纹。

2. 关键组件与工作过程
   一个典型的原子干涉仪通常包含以下关键步骤：

   • 原子源与冷却：首先通过磁光阱等技术制备超冷原子云（温度在微开尔文量级），极大降低原子热运动速度，延长其相干时间，并增大其德布罗意波长。
   • 分束：使用一对相向传播的激光脉冲（称为π/2脉冲）与原子的能级发生相互作用。通过拉曼受激跃迁过程，原子同时吸收一个光子并受激发射另一个光子，获得净动量转移，其内部状态和外部动量态发生叠加，从而实现原子波包在空间上的分束。
   • 反射：随后施加一个更长的激光脉冲（π脉冲），使两个分离的原子波包路径发生反射和动量反转。
   • 合束与探测：最后再施加一个π/2脉冲，将两条路径上的原子波包重新合束。两条路径的相位差会导致原子最终处于两个内部能态（如基态的两个超精细能级）的概率不同。通过探测处于特定能态的原子数量，即可得到干涉信号的强度，该信号随相位差呈正弦变化。

3. 相位差来源与测量应用
   原子干涉条纹的相位差Δφ极其敏感。它来源于两条原子路径所经历的任何物理差异，主要贡献项包括：

   • 惯性效应：当干涉仪本身存在加速度a或处于旋转角速度Ω中时，原子因具有质量而感受到惯性力，其经典作用量积分会产生与a和Ω相关的相位差。这使得原子干涉仪可以精密测量重力加速度g、重力梯度、旋转角速度（作为高精度陀螺仪）。
   • 引力红移：根据广义相对论，处于不同引力势位置（高度差Δh）的原子钟频率会变化。在原子干涉仪中，两条路径的高度差会导致原子内部能级感受到的引力势不同，从而产生与Δh相关的相位差，可用于测量引力势差甚至探测引力波。

4. 技术特点与比较优势
   与光学干涉仪相比，原子干涉仪具有显著特点：

   • 对惯性力敏感度高：原子的静止质量使其对惯性力（如重力）的敏感度远高于光子，因为光子在真空中以恒定速度运动且无静质量。
   • 内禀标尺稳定：其德布罗意波长由原子质量和激光频率决定，后者可通过原子钟精确锁定，因此其测量基准非常稳定。
   • 应用方向：主要应用于基础物理研究（如测量精细结构常数、检验等效原理、探测暗物质）、地球物理测量（精密重力测绘、资源勘探）以及惯性导航领域（研制下一代超高精度陀螺仪和加速度计）。