《自旋极化原子干涉法检验等效原理》

该项目属于量子物理与引力物理交叉前沿基础研究。

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设,其破缺与否是涉及物理学根基,其正确与否依赖于高精度实验检验。等效原理检验最早可追溯至伽利略的落塔实验,后续数百年来,各国科学家对该原理进行了大量的实验检验,但绝大多数实验均采用宏观物体作为检验质量,湮没且忽略了量子效应。在统一自然界四种基本相互作用的研究中,将量子力学与引力理论耦合并建立有效的“量子引力”理论,是现代物理学所面临的巨大挑战,亟需能够探究量子与引力耦合效应的新机制、新方案和新实验。自诺贝尔奖得主、斯坦福大学朱棣文教授等人实现对重力敏感的原子干涉仪以来,采用微观粒子检验等效原理已成为研究热点和探寻量子引力耦合的重要方向,并成为争夺量子惯性传感等核心竞争力的制高点。该项目围绕等效原理检验,在发现自旋与引力耦合、阐明原子干涉仪与外部物理场的耦合机理、发展新型原子干涉方法等方面取得突破,提升了中国在该领域的国际话语权。主要成果包括:

1)提出等效原理的量子检验新思路,实现新型等效原理的高精度检验,发现自旋相关等效原理破缺的上限值,为检验该类型等效原理提供了实验方法和判据。针对“不同自旋态原子是否同时落地”这一科学问题,项目团队提出并首次实现了自旋取向量子态属性原子的物质波干涉仪,发现在10^-7精度水平等效原理依然成立,给出赖于微观粒子自旋取向的新限制,首次在国际上精确测量了时空挠率梯度的上限为10^-21Gev/m。该工作在Physical Review Letters期刊上作为Highlights发表,并被美国物理学会(APS)旗下Physics杂志精选报道(Featured in Physics);Science期刊的资深编辑Ian S.Osborne以“量子伽利略落塔实验”为标题发专文推荐这一创新性工作,并指出其对统一引力和量子物理的相关理论有重要指导意义。

2)揭示外部噪声影响原子干涉相位的物理机理,解决振动噪声导致原子干涉仪退相干难题,将自主研制的原子干涉重力加速度测量精度突破到国际领先水平。为了进一步提高等效原理检验精度,该项目解决了光频移抑制、波前畸变测量、超低频隔振等一系列导致原子干涉仪退相干的难题,使原子干涉重力测量水平达4.2×10^-9g/Hz^1/2,至今仍保持着该领域的国际最高记录,并被巴黎天文台时频标准实验室(SYRTE)主任Arnaud Landragin研究员评述为“灵敏度的记录(record sensitivities)”。在国际计量委员会主办、中国计量院承办的“第十届绝对重力仪国际比对”中,该项目研制的原子干涉重力仪取得了同类型仪器测量精度的最好水平。

3)提出不同量子态冷原子干涉测量新方案,阐明磁场梯度与原子干涉仪的耦合机制,发现高精度的磁敏感原子干涉模式,为磁场探测以及解决等效原理中磁效应问题提供新方法。加拿大York大学的A.Kumarakrishnan教授在论文中将该项目工作选为磁场梯度仪分辨率的高精度参照对象;意大利弗洛伦撒大学原子干涉仪组组长G.M.Tino教授引用该项目工作,并将其作为磁敏感干涉方法的高精度比较对象。

该项目8篇代表性论文均发表于物理学权威期刊Physical Review Letters与Physical Review A,相继被Science、Review of Modern Physics、Nature Physics等权威期刊引用和正面评价,累计他引总次数213次(web of science数据库)、其中单篇他引最高102次,SCI他引总次数176次。项目成员多次在国际会议上做受邀报告,例如激光和光电子国际会议(CLEO-2014)的Science & Innovations环节的invited speaker、第49届欧洲原子系统会议(EGAS-2017)的大会报告等。在项目团队36年引力研究积累的基础上,该项目相关工作培养了国家自然科学杰出青年基金获得者2人、国家自然科学优秀青年基金获得者1人。项目成果被美国光学学会前主席、美国物理学会会士、美国标准局Charles W.Clark教授等人在Review of Modern Physics期刊上用一整段文字进行评述和引用;被Science期刊发专文评述为“量子伽利略落塔实验”;在由国际计量委员会主办、中国计量院承办的“第十届绝对重力仪国际比对”中取得了同类型仪器测量精度的最好水平。项目成果提供了采用不同自旋量子态原子检验等效原理的新途径,为探测自旋引力耦合效应、开展自旋极化冷原子精密测量打开了新的窗口。该项目在检验等效原理、研究自旋引力耦合效应等前沿科学问题的同时,极大地提升了中国精密重力测量能力,为立项和建设“精密重力测量国家重大科技基础设施”奠定了重要基础,该项目第一完成人现为该基础设施的负责人。该项目作为重要基础有力支撑了“测得迄今为止最高精度的引力常数G值”获2018年度中国科学十大进展。

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