高精度原子重力仪

课题背景

地球表面重力加速度会随着时间和地点变化，对其进行高精度的测量在地球物理、基础物理研究、计量学等领域具有重要应用。原子干涉重力仪是利用原子干涉技术实现绝对重力测量的仪器，是原子干涉技术的重要应用之一。

研究进展

为实现高精度的重力测量，本课题组自2005年起开展了高精度原子干涉重力仪的研制工作，搭建了若干套用于原子干涉重力测量的相关实验装置（如图1所示），进行了原子冷却囚禁、原子喷泉、原子相干操控等前期相关实验研究，进行了原子干涉重力测量的原理性实验，实现了相关实验能力从无到有的转变。

图1 高精度原子重力仪原理样机实物图

经过数年的技术积累和科研攻关，本课题组通过抑制主要噪声源对重力测量的影响，实现了高精度的绝对重力测量，研制的高精度原子干涉重力仪测量分辨率为4.2μGal/Hz^1/2(1μGal=10^-8m/s²)，被国际同行评论为灵敏度的记录[Phys. Rev. A88, 043610 (2013)]。

图2 高精度原子干涉重力测量实验装置

Bragg型原子干涉仪利用物质波在光晶格中发生Bragg衍射的方式实现原子干涉仪中的相干分束。课题组实现了高精度Bragg原子干涉仪，并将原子干涉重力测量的灵敏度记录进一步提升至2.2μGal/Hz^1/2[Phys. Rev. Applied20, 014067(2023)]。

图3 Bragg型原子干涉仪

在实现国际上灵敏度最高的原子重力测量的基础上，本课题组对其原子干涉重力仪的系统误差进行了评估，并于2017年携自行研制的原子重力仪HUST-QG参加了在北京举办的第十届国际重力仪比对（如图4所示），测量结果与参考值相差仅1.4μGal，不确定度达到3.2μGal，为参加比对的同类型仪器中的最好水平[Metrologia59, 055001(2022)]。

图4 参与第十届绝对重力仪国际比对的HUST-QG