原子干涉儀是一臺(tái)慣性質(zhì)量敏感器，它可用于油井定位、空間導(dǎo)航、引力場(chǎng)和加速度的精密測(cè)量等方面，因此原子干涉儀有著廣闊的應(yīng)用前景。科學(xué)家一直在地球上利用該傳感器研究重力的基本性質(zhì)，促進(jìn)了飛機(jī)和船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

　　科學(xué)家希望在太空中也能延伸應(yīng)用該技術(shù)，因?yàn)樘盏奈⒅亓Νh(huán)境可延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，并獲得更高靈敏度。但原子干涉儀此前無(wú)法單獨(dú)在太空長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

　　近日，加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)、德國(guó)航空航天中心(DLR)衛(wèi)星大地測(cè)量與慣性傳感研究所、德國(guó)烏爾姆大學(xué)、法國(guó)巴黎-薩克雷大學(xué)、德國(guó)漢諾威萊布尼茨大學(xué)、德國(guó)達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)、德國(guó)航空航天中心(DLR)量子技術(shù)研究所、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、羅切斯特大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)首次使用搭載于國(guó)際空間站上的超冷原子來(lái)探測(cè)太空中周?chē)h(huán)境的變化。

　　探路者實(shí)驗(yàn)是指在一個(gè)新的研究領(lǐng)域或?qū)嶒?yàn)環(huán)境中，為了驗(yàn)證技術(shù)可行性、理解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特性、確定最佳操作參數(shù)、評(píng)估潛在的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，而進(jìn)行的一系列初步實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的目的是為后續(xù)更深入、更系統(tǒng)的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)，探索和開(kāi)辟新的研究方向。

　　美國(guó)宇航局(NASA)的冷原子實(shí)驗(yàn)室(Cold Atom Lab，CAL)于2018年發(fā)射，是國(guó)際空間站(ISS)上的首個(gè)此類(lèi)設(shè)施，其目標(biāo)是通過(guò)在低地球軌道的微重力環(huán)境下對(duì)超冷原子進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究。該實(shí)驗(yàn)室能將原子冷卻到幾乎絕對(duì)零度。在此溫度下，一些原子會(huì)形成玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC)。在BEC下的原子處于相同量子態(tài)，其微觀量子特性會(huì)變得宏觀，更便于科學(xué)家開(kāi)展相關(guān)研究。在微重力環(huán)境下，BEC可以達(dá)到更低溫度并存在更長(zhǎng)時(shí)間，為科學(xué)家提供了更多研究機(jī)會(huì)。其中的原子干涉儀是利用原子的量子特性進(jìn)行精確測(cè)量的傳感器之一。

　　為了獲悉國(guó)際空間站振動(dòng)的影響，研究團(tuán)隊(duì)利用冷原子實(shí)驗(yàn)室原子干涉儀中超冷Rb-87原子進(jìn)行的探路實(shí)驗(yàn)，研究了三脈沖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。此外，研究團(tuán)隊(duì)利用拉姆齊剪切波干涉法，在單次運(yùn)行中顯示干涉圖樣，這些干涉圖樣在超過(guò)150ms的自由膨脹時(shí)間內(nèi)可觀察到。最后，使用冷原子實(shí)驗(yàn)室原子干涉儀遠(yuǎn)程測(cè)量布拉格激光光子反沖，是首個(gè)在太空中使用物質(zhì)波干涉測(cè)量的量子傳感器的演示。

　　相關(guān)研究成果于8月13日以“Pathfinder experiments with atom interferometry in the Cold Atom Lab onboard the International Space Station”(在國(guó)際空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展關(guān)于原子干涉測(cè)量的探路者實(shí)驗(yàn))為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，Jason R. Williams(第一作者)、Charles A. Sackett、Nicholas P. Bigelow為論文共同通訊作者。

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