特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。尽管引力是自然界大规模的主导力量，但对于精密的实验室实验来说，它仍然相对难以捉摸。原子干涉仪是研究地球引力、万有引力常数、牛顿引力偏差和广义相对论等的有力工具。然而，使用自由落体原子会将测量时间限制在几秒钟，而在测量与小源质量的相互作用时，时间会更少。最近，已经展示了原子在光腔滤波的光晶格模式下悬浮70秒的干涉仪。然而，光学晶格必须通过施加比假定信号强十亿倍的力来平衡地球引力，因此即使是微小的缺陷也可能产生复杂的系统效应。因此，晶格干涉仪尚未用于精密重力测试。基于此，加利福尼亚大学Cristian D. Panda、Holger Müller等人优化了晶格干涉仪的引力灵敏度，并使用信号反演系统来抑制和量化系统效应。作者测量了微型源质量的吸引力，结果为amass=33.3±5.6stat±2.7systnms−2，与牛顿引力一致，排除了“屏蔽第五力”理论在其自然参数空间上的误差。6.2nms−2 的整体精度比原子自由落体的最佳类似测量结果高出四倍以上。改进的原子冷却和倾斜噪声抑制可能会进一步提高灵敏度，以研究亚毫米范围内的力、紧凑重力测量、测量引力阿哈罗诺夫-玻姆效应和引力常数，并测试引力场是否具有量子特性。作者描述了一个使用磁光阱(MOT)制备的铯(Cs)原子样本的实验过程，在磁光阱中制备的300 nK Cs原子样本通过极化梯度和拉曼边带冷却，达到基态超精细流形的mF = 0状态。利用拉曼脉冲分裂和光晶格技术，原子波包在保持期间累积相移ϕ，通过测量荧光信号的不对称性来确定相位，从而测量原子在F=3或F=4状态的概率。实验通过迭代扫描和正弦波拟合来精确测量ϕ。接着，作者优化了对加速度的高灵敏度测量，通过调整积分时间τ和原子反冲能量U，达到了与标准量子极限（SQL）一致的灵敏度。实验中，使用了改进的样品制备和成像技术，以及基于远失谐移动光晶格的原子升降机，将原子精确地运送到腔轴上。通过每20条纹切换原子位置，形成数据块，并计算相位的奇偶分量来提取质量。552个数据块在两个月内收集，质量测量结果与波包分离Δz无关，显示出良好的统计分布和一致性。通过盲分析避免了实验者偏见，确保了结果的可靠性。在实验中，作者通过改变实验参数P并测量其对源质量加速度的影响来寻找系统误差。黑体辐射是唯一观察到或预期会导致非零偏移的参数，通过红外热传感器测量并计算了由此产生的系统误差。其他参数虽然未观察到显著影响，但仍然被纳入误差预算。实验中发现的非零平均加速度与光晶格模式的AC斯塔克移位一致。作者通过施加磁场梯度量化了可能的残余影响，并使用这些数据确定了误差线。作者测量的原子向源质量加速的值为amass= 33.3 ± 6.2 nm s-2，与预期的amass= 35.2 nm s-2相近，差异与零一致。此次测量的不确定度比之前最好的原子干涉重力测量结果低了四倍。此外，该测量结果还提高了对“屏蔽第五力”的限制，以及对牛顿平方反比定律的修改的限制。通过使用光学晶格中的原子进行干涉测量，证明了晶格干涉仪的灵敏度可以进一步提高，有望达到5 nm s/Hz-2，优于最好的自由落体重力仪。晶格干涉术在惯性传感和移动重力测量方面具有潜力，同时为测试基础物理学提供了新的途径，例如测量引力常数G。Panda, C.D., Tao, M.J., Ceja, M. et al. Measuring gravitational attraction with a lattice atom interferometer. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07561-3
