論文の概要: Wavefront Curvature and Transverse Atomic Motion in Time-Resolved Atom Interferometry: Impact and Mitigation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.26739v1
• Date: Thu, 30 Oct 2025 17:35:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-31 16:05:09.943951
• Title: Wavefront Curvature and Transverse Atomic Motion in Time-Resolved Atom Interferometry: Impact and Mitigation
• Title（参考訳）: 時間分解原子干渉計における波面曲率と横原子運動:衝撃と緩和
• Authors: Noam Mouelle, Jeremiah Mitchell, Valerie Gibson, Ulrich Schneider,
• Abstract要約: 時間分解原子干渉計は重力波の検出や超軽量ダークマターの探索などの応用に用いられている。 我々は、干渉計ビームの波面曲率の存在下で、原子の横動きにおけるショット・ツー・ショットのゆらぎに起因する位相雑音について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Time-resolved atom interferometry, as employed in applications such as gravitational wave detection and searches for ultra-light dark matter, requires precise control over systematic effects. In this work, we investigate phase noise arising from shot-to-shot fluctuations in the atoms' transverse motion in the presence of the wavefront curvature of the interferometer beam, and analyse its dependence on the laser-beam geometry in long-baseline, large-momentum-transfer atom interferometers. We use a semi-classical framework to derive analytical expressions for the effective phase perturbation in position-averaged measurements and validate them using Monte Carlo simulations. Applied to 100-m and 1-km atom gradiometers representative of next-generation experiments, the model shows that configurations maximizing pulse efficiency also amplify curvature-induced phase noise, requiring micron-level control of the atom cloud's centre-of-mass position and sub-micron-per-second control of its centre-of-mass velocity to achieve sub-$10^{-5}$ rad phase stability. Alternative beam geometries can suppress this noise by up to two orders of magnitude, but at the cost of reduced pulse efficiency. To address this limitation, we propose a mitigation strategy based on position-resolved phase-shift readout, which empirically learns and corrects the wavefront-induced bias from measurable quantities such as the phase-shift gradient and final cloud position. This approach restores high-sensitivity operation in the maximum-pulse-efficiency configuration without detailed beam characterisation, providing a practical route towards next-generation, time-resolved atom interferometers operating at the $10^{-5}$ rad noise level.
• Abstract（参考訳）: 時間分解原子干渉法は、重力波の検出や超軽量ダークマターの探索などの応用で用いられるが、体系的な効果を正確に制御する必要がある。 本研究では、干渉計ビームの波面曲率の存在下での原子の横動きのショット・ツー・ショットのゆらぎから生じる位相ノイズについて検討し、そのレーザービーム形状への依存性を分析する。 位置平均測定における実効位相摂動の解析式を導出するために,半古典的枠組みを用い,モンテカルロシミュレーションを用いて検証した。 次世代実験に代表される100mおよび1kmの原子勾配計に適用すると、パルス効率を最大化する構成が曲率誘起位相ノイズを増幅し、原子雲の中心質量位置のミクロンレベル制御と、その中心質量速度のサブミクロン毎秒制御を必要とし、サブ10^{-5}$ rad位相安定性を達成することが示される。 代替ビームジオメトリは、このノイズを最大2桁まで抑制することができるが、パルス効率を低下させるコストがかかる。 この制限に対処するため, 位相シフト勾配や最終雲の位置といった測定可能な量から, 波面誘起バイアスを経験的に学習し, 補正する, 位置分解型位相シフト読み出しに基づく緩和戦略を提案する。 提案手法は, 高精度ビーム特性化を伴わない最大パルス効率の高感度動作を復元し, 10^{-5}$ rad雑音レベルで動作する次世代の時間分解原子干渉計への実用的な経路を提供する。

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