Prompt-Beschreibung

In der Kaltatominterferometrie ist eine stabile, reine und kontrollierbare Atomquelle die physikalische Grundlage und der logische Ausgangspunkt für das gesamte Präzisionsmessungsexperiment bei absoluten Gravimetern. Das ultrakalte Atomensemble, auf dem das System basiert, wird nicht aus dem Nichts erzeugt, sondern beginnt mit der präzisen Manipulation und Kühlung von heißem Atomdampf. Daher ist die Hauptaufgabe der Atomquelle, eine anfängliche Atomwolke bereitzustellen, die die Anforderungen der nachfolgenden Laserkühlungs- und Einfangstufen erfüllt. Dieser Anfangszustand beeinflusst direkt die Anzahl der in der magneto-optischen Falle (MOT) eingefangenen Atome, die Laderate und die Langzeitstabilität des Systems und beeinflusst letztendlich den Kontrast des Interferenzsignals und das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung. Das traditionellste und einfachste Schema für eine Atomquelle ist die Verwendung einer Glasbirne oder Metallkammer, die Alkalimetalle (wie Rubidium oder Cäsium) enthält, wobei man sich auf den Sättigungsdampfdruck des Metalls selbst bei Raumtemperatur oder unter leichter Erwärmung verlässt, um Atome bereitzustellen. Diese Methode hat jedoch offensichtliche Einschränkungen: Der Atomfluss ist schwierig schnell und genau zu steuern; die von hohen Temperaturen erzeugte Wärmestrahlung erhöht die Wärmebelastung des Vakuumsystems; wichtiger noch, der kontinuierliche Atomfluss mit hoher Flussdichte stellt eine enorme Belastung für das Ultrahochvakuumsystem dar, was die Verbesserung des Endvakuums des Systems einschränkt und somit die Lebensdauer und Kohärenzzeit der kalten Atome beeinträchtigt. Um diese Nachteile zu überwinden, verwenden moderne Hochleistungs-Kaltatomgravimeter im Allgemeinen elektrisch gesteuerte Rubidium-Dispenser als Atomquelle. Ein Dispenser oder eine "Rubidiumquelle" ist eine miniaturisierte, elektrisch gesteuerte Festkörper-Rubidiumfreisetzungsvorrichtung, die mit einem speziellen Verfahren verkapselt ist. Ihr Kern ist ein Metallrohr (üblicherweise aus Nickellegierung oder Edelstahl), das mit Rubidium-Chrom-Legierung oder metallischem Rubidium gefüllt ist. Das Füllmaterial im Inneren des Rohrs wird durch Pulvermetallurgie hergestellt, und die Enden sind mit Elektroden verschlossen. Ihr Funktionsprinzip basiert auf der kontrollierten Sublimation unter dem Joule-Effekt. Wenn ein präzise gesteuerter Strom (typischerweise mehrere Ampere) an die Elektroden an beiden Enden des Dispensers angelegt wird, fließt der Strom durch das Metallrohr mit entsprechendem Widerstand und sein internes Füllmaterial und erzeugt Joule-Wärme. Wenn die Temperatur auf den Sublimationspunkt von Rubidium ansteigt (die Sublimationstemperatur von metallischem Rubidium liegt bei etwa 300 °C), gewinnen die festen Rubidiumatome genügend Energie, um sich direkt in die Gasphase umzuwandeln und werden in Form von Atomdampf durch Mikroporen an der Rohrwand oder speziell entwickelte Öffnungen in die umgebende Vakuumkammer freigesetzt (einige Designs verwenden offene Metallstreifen). Das Design des Dispensers verkörpert präzise technische Überlegungen. Erstens ist die Beziehung zwischen seinem Strom und seiner Temperatur streng kalibriert, sodass Experimentatoren den Atomfreisetzungsfluss durch Anpassen der Größe und Pulsbreite des Ansteuerstroms digital und sofort steuern können. Während der Ladephase der magneto-optischen Falle kann ein Impuls mit größerem Strom angelegt werden, um schnell einen höheren Atomfluss zu erzeugen und den anfänglichen Einfangprozess der MOT zu beschleunigen. Sobald eine ausreichende Anzahl von Atomen eingefangen wurde, kann der Strom des Dispensers sofort reduziert oder vollständig abgeschaltet werden, und die Atomfreisetzung stoppt entsprechend. Dieser "On-Demand"-Modus hat zwei Kernvorteile: Erstens reduziert er die Schädigung des Endvakuums des Systems erheblich. Während der Interferenzmessphase werden fast keine heißen Atome in die Vakuumkammer injiziert, und der Hintergrunddruck kann auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden (normalerweise unter 10-8 Pa erforderlich), wodurch die Kollisionsstörung von Restgasmolekülen auf die kohärent fallenden Atome minimiert wird, wodurch eine lange