原子重力波传感器的统一实验室框架分析

利用光-物质相互作用的原子传感器——尤其是原子钟和原子干涉仪——有望在中频段与光学引力波探测器形成互补。尽管两者均依赖干涉原理,但原子钟的干涉组件空间共位,而原子干涉仪则基于空间叠加态。驱动跃迁和产生叠加态的电磁场在时空传播时会受引力波影响,作为有质量粒子的原子本身同样如此,这些效应会形成有效势能,进而被传感器捕捉为相位差。该工作从实验室参考系分析了这些势能对原子钟与原子干涉仪的作用,研究表明:无论是光脉冲型还是导引型原子干涉仪,其空间叠加态均可产生引力波信号。尽管原子钟的空间叠加效应被抑制,但驱动内部跃迁的光脉冲能测量两台独立钟体中心的空间距离。研究特别指出:只有当两台钟(包括可能的束缚装置)沿引力波测地线运动时,该机制才会产生敏感信号。这种配置虽天然适用于自由飞行卫星,但地面光学钟通常依赖固定束缚装置,导致其对主导阶效应不敏感。此外,研究团队在统一框架下证明:通过复合询问协议可同步增强两类传感器性能。为此该工作提出一种脉冲序列方案,既可用于大动量转移原子干涉仪,也可用于超回波原子钟,从而实现信号增强与噪声抑制的双重效果。

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提交arXiv: 2025-09-29 16:19

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