A mobile high-precision gravimeter based on atom interferometry

Abstract

Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter.

Since 1991, matter wave interferometry has been used in many laboratories for a variety of fundamental physics experiments, e.g. measurement of the fine-structure and gravity constants or equivalence principle tests. This new technique is also ideally suited for high-accuracy geophysical gravity measurements. However, due to the complexity of these experiments they were so far confined to laboratory environments. Only in recent years efforts have been undertaken to develop mobile atom interferometers. These new sensors now open up the possibility to perform on-site high-precision measurements of rotations, gravity gradients as well as absolute accelerations. This work reports on the design, construction and first tests of an absolute gravimeter. It is based on interfering ensembles of laser cooled Rb87 atoms in a one meter high atomic fountain configuration. Local gravity is measured by applying three Raman light pulses while the atoms are in free fall, thereby splitting and recombining the atomic wave packets. The resulting interference fringes are sensitive to the movement of the atoms within a gravitational potential. We have measured the value of local gravity g at a resolution of one part in 10^10 at an integration time of 12 hours, or 2.2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). This was high enough to be sensitive to a number of time varying gravity effects like tides, ocean loading or changes in gravity caused by air pressure. In a comparison under similar measurement conditions, the instrument has surpassed the performance of conventional mobile gravimeters by almost one order of magnitude.