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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006 Precision Measurement of Gravity at Micrometer Scale using Ultracold Atoms Precision Measurement of Gravity at Precision Measurement of Gravity at Micrometer Scale using Ultracold Atoms Micrometer Scale using Ultracold Atoms Università degli Studi di Firenze - Dipartimento di Fisica, LENS Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Sezione di Firenze Guglielmo M. Tino Guglielmo M. Tino

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

Precision Measurement of Gravity at Micrometer Scale using Ultracold Atoms

Precision Measurement of Gravity at Precision Measurement of Gravity at Micrometer Scale using Ultracold Atoms Micrometer Scale using Ultracold Atoms

Università degli Studi di Firenze - Dipartimento di Fisica, LENSIstituto Nazionale di Fisica Nucleare - Sezione di Firenze

Guglielmo M. TinoGuglielmo M. Tino

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

Outline

• Motivation• Previous experiments• Measuring gravity with atoms• Precision gravity measurement at µm scale

with laser-cooled Sr atoms in an optical lattice• Prospects

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Motivation• Physics beyond the standard modelExtra space-time dimensions

Deviations from 1/r2 law Hierarchy problem: why is gravity so weak?

New boson-exchange forcesRadion – low-mass spin-0 fields with gravitational-strength couplingsModuli – massive scalar particles producing gravitylike forcesDilaton – Light scalar in string theory, coupling to nucleonsAxion – pseudoscalar particles explaining smallness of CP violation in QCD for strong nuclear forceMulti-particle exchange forces

• Small observed size of Einstein cosmological constant

• Experimental challenge

N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, Phys. Lett. B 429, 263 (1998) N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, Phys. Rev. D 59, 086004 (1999)

S. Dimopoulos and G. F. Giudice, Phys. Lett. B 379, 105 (1996)I. Antoniadis, S. Dimopoulos, and G. Dvali, Nuc. Phys. B 516,70 (1998)

T.R. Taylor, G. Veneziano, Phys. Lett. B 213, 450 (1988)D. B. Kaplan, M. B. Wise, J. High Energy Phys. 8, 37 (2000)

Moody and Wilczek, Phys Rev. D 30, 130 (1984)R. Barbieri, A. Romanino, A. Strumia, Phys. Lett. B 387, 310 (1996)L.J. Rosenberg, K.A. van Bibber, Phys. Rep. 325, 1 (2000))

S.R. Beane, Gen. Rel. Grav. 29, 945 (1997)R. Sundrum, Phys. Rev. D 69, 044014 (2004)

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Extra Dimensions

1 extra dimension ⇒ F ∝ 1/r3 size ≈ 1011 m 2 extra dimensions ⇒ F ∝ 1/r4 size ≈ 10-4 m3 extra dimensions ⇒ F ∝ 1/r5 size ≈ 10-9 m

N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter, Phys. Lett. B 429, 263 (1998)

N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, Phenomenology, astrophysics, and cosmology of theories with submillimiter dimensions and TeV scale quantum gravity, Phys. Rev. D 59, 086004 (1999)

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Cosmological constant problemand “fat” gravitons

Cosmological data ⇒ vacuum-energy density ρvac~ 3 ·103 eV/cm3

l ~ (ħc/ρvac)1/4 ~ 0.1 mm

The graviton is “fat” at distances ≤ 1 mm ?Solution to the CC Problem?

R. Sundrum, Fat gravitons, the cosmological constant and submillimeter tests, Phys. Rev. D 69, 044014 (2004)

20 µm ≤ lgrav ≤ 0.2 mm

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Parametrizations for deviations from Newtonian gravity

1 22( ) M MF r G

r δ+=• Modification of powerlaw in Newton-type force

1 2( ) 1rM MV r G e

rλα

−⎡ ⎤= − +⎢ ⎥

⎣ ⎦

• Exchange of a boson with m = ħ/λc• Extra dimensions

• Newton+Yukawapotential

11 2 0( ) 1

N

NM M rV r G

r rα

−⎡ ⎤⎛ ⎞= − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

• Modified power-lawpotential Exchange of 2 massless particles

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Experiments on gravity at small spatial scale

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Torsion balance - Washington experiment

C. D. Hoyle, D. J. Kapner, B. R. Heckel, E. G. Adelberger, J. H. Gundlach, U. Schmidt, H. E. Swanson, Submillimeter tests of the gravitational inverse-square law, PRD 70, 042004 (2004)

• Test bodies: ‘‘missing masses’’ of holes bored into plates

• Torsion pendulum7075 aluminum, gold coateddisk height = 2 mm 10 cylindrical holes evenly spaced about the azimuth

• Attractor high-purity copper disktop surface coated with gold 10 cylindrical holes evenly spaced about the azimuthuniformly rotating

• Electrostatic shieldtightly stretched 20-µm-thick BeCu foil

• Distance from top of attractor to bottom of pendulumfrom 10.77 mm to 137 µm

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Microcantilever - Stanford experiment

Probe mass (gold)50 µm x 50 µm x 30 µmmt ~ 1.6 µg

Source mass5 sets of gold and silicon bars100 µm x 1mm x 100 µm

Cantilever (<100> Si) 50 µm x 250 µm x 0.33 µm Q ~ 80 000ωo ~ (k/mt)1/2 ~ 300 Hz

Separation 25 µm

S. J. Smullin, A. A. Geraci, D. M. Weld, J. Chiaverini, S. Holmes,A. Kapitulnik, Constraints on Yukawa-type deviations from Newtonian gravity at 20 microns, Phys. Rev. D 72, 122001 (2005)

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Microcantilever - Colorado experiment

Detector (tungsten)11.455 mm x 5.080 mm x 195 µm

Source mass (tungsten)35 mm x 7 mm x 305 µm

Separation 108 µm

Q ~ 25 000ωo ~ 1173 Hz

J.C. Long, H.W. Chan, A.B. Churnside, E.A. Gulbis, M.C.M. Varney, J.C. Price, Upper limits to submillimetre-range forces from extra space-time dimensions, Nature 421, 922 (2003)

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Experiments on gravity at small spatial scaleExperiments based on torsion balances (λ ≤ 1 mm)

J. Gundlach and E. Adelberger (Washington) – torsion balance R. Newman and P. Boynton (Irvine, Washington) – cryogenic torsion balance

Experiments based on high-frequency oscillators (λ ≤ 0.1 mm)J. Long and J. Price group (Colorado) – torsional oscillator

A. Kapitulnik group (Stanford) - microcantilever

R. Decca and E. Fischbach group (Purdue, Indiana) – torsional oscillator

New experiments based on atomic probes (λ ≤ 0.01 mm)E.A. Cornell group (Colorado) – Oscillations of a Bose-Einstein condensate

G.M. Tino group (Firenze) – Atom interferometry

Also experiments on Casimir effect (λ ≤ 0.001 mm)

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Departures observed at ~70 µm?(Washington, Stanford)

Experimental artifact?

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Why atoms?

• Extremely small size• Well known and reproducible properties• Quantum systems• Precision gravity measurement by atom interferometry • Potential immunity from stray fields effects

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Laser Laser coolingcooling and and manipulationmanipulation of of atomsatoms

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Optical molasses

νLνL v

f

eνat

νat > νL

δ

νLLab ref. frame

νL(1-v/c) νL(1+v/c)

Atom ref. frame

0 02 2

0 02 2

/ /4 41 / ( v) 1 / ( v)

1(v)2

L

L L

I I I I

I I I Ic c

hFc ν νδ δ

ντ

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥−⎢ ⎥+ + − + + +⎢ ⎥Γ Γ⎣ ⎦

⋅ ⋅0( / 1)I I →

Idea: T.W. Hänsch, A. Schawlow, 1975Exp. demonstration: S. Chu et al., 1985

0

222

22 2

/8(v) v = - v[1 ]4 ( )

L I IhFc δω δ α

π ΓΓ +

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Laser cooling: atomic temperatures

Atomic Temperature : kBT = Mv2rms

2DBhk T Γ=Minimum temperature for Doppler cooling:

2

1rB

LM

hk T c

ν=⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

Examples:TD Tr

Na 240 µK 2.4 µKRb 120 µK 360 nKCs 120 µK 200 nKSr 180 nK 460 nK

Single photon recoil temperature:

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Magneto-Optical Trap (MOT)

02 22

v + z4( ,v) [1 ]( )

II

khkF zδβδ

πΓ

Γ + density n ≈ 1011 cm-3

temperature T ≈ 100 µK size ∆x ≈ 1 mm

-0.01 0 0.01 0.02x position m

-0.01

0

0.01

0.02

ynoiti so p

m

Atom Trajectory

E. Raab et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2631 (1987)

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Sr MOT picture

LENS, Firenze

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Light shifts and optical traps

First exp. demonstration: S. Chu et al., 1986

1D optical lattice ⇒ array of 2D disk-like trapping potentials

2 D optical lattice ⇒ array of 1D potential tubes

3 D optical lattice ⇒ 3D simple cubic array of h.o. potentials

optical lattices

Review: I. Bloch, 2005

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Cooling and trapping atoms with laser lightThe Nobel Prize in Physics 1997

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Bose-Einstein condensation in dilute gases of atomsThe Nobel Prize in Physics 2001

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Atom optics

Oven

laser

Atomic beam

lenses

atom laser

atom

lasermirrors

atom

laserbeam-splitters

interferometers

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Quantum interference

Initial state

|ψi⟩

Final state

|ψf⟩path IIamplitude AII

path Iamplitude AI

Interference of transition amplitudesP(|ψi⟩⇒|ψf⟩) = |AI + AII|2 = |AI|2 + |AII|2 + 2 Re(AI AII

*)

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Matter wave sensors

⋅=∆Φ 2driftacc Tk aaccelerations:

a 17112

atph

mat 1010vc~ −≈⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ϕ∆ϕ∆

⋅π=∆Φ Ahm22 at

rot Ωrotations:

ΩΩΩ10at

ph

mat 105h

cm~ ⋅≈⋅λ⋅

ϕ∆ϕ∆

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MAGIAMAGIAMisura Accurata di G mediante Interferometria AtomicaMisura Accurata di G mediante Interferometria Atomica

http://www.fi.infn.it/sezione/esperimenti/MAGIA/home.html

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MAGIA

• Measure g by atom interferometry

• Add source masses• Measure change of g g

aM

Precision measurement of G Measurement of G at sub-mm distances

http://www.fi.infn.it/sezione/esperimenti/MAGIA/home.html

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Why measuring G with atom interferometry?

Cavendish 1798

Quinn 2001

G = 6.673 (10) × 10-11 m3 kg-1s-2

[1.5×10-3]

G = 6.6742 (10) × 10-11 m3 kg-1s-2

[1.5×10-4]

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Raman interferometry in an atomic fountain

Phase difference between the paths:

∆Φ = ke[z(0)-2z(T)+z(2T)]+Φe

with z(t) = -g t2/2 + v0t + z0 & Φe = 0 ⇒ ∆Φ = kegT2

ke= k1 - k2 , ωe = c ke

M. Kasevich, S. Chu, Appl. Phys. B 54, 321 (1992)

g = ∆Φ / keT2

Final population:Na = N/2 (1+cos[∆Φ])

T = 150 ms ⇒ 2π = 10-6gS/N = 1000 Sensitivity 10-9 g/shot⇒

t

R1k R1k R1k

R2k R2k R2k

T T

ππ2

π2z(t)

Interference fringes – Firenze 2006

A. Peters, K.Y. Chung and S. Chu, Nature 400, 849 (1999)

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MAGIA: Experimental procedure

• trap, cool and launch 2 clouds of Rbatoms

• apply Raman light pulses masses in position 1

• detect atoms state selectively • repeat several times • plot Na/N and fit the differential phase

shift ∆Φg between the clouds• move masses to position 2

repeat all procedure• subtract the differential phase shifts for

the two mass positions

I

1

2

II

1

2

z1

z2

( )

( )),()(

),()(

),()(

),()(

22

1121

22

1121

IISysSMg

IISysSMgIIII

ISysSMg

ISysSMgII

tzz

tzz

tzz

tzz

φφφ

φφφφφ

φφφ

φφφφφ

++−

+−=−

+−−

++=−

),(4)()( 2121

tzSysSM

IIIIII

∆∆+=−−−⇒φφ

φφφφ

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Atom gravity gradiometer apparatus

Laser and optical system

Source masses and support

L. Cacciapuoti, M.de Angelis, M. Fattori, G. Lamporesi, T. Petelski, M.Prevedelli, J. Stuhler, G.M. Tino, Analog+digital phase and frequency detector for phase locking of diode lasers, Rev. Scient. Instr. 76, 053111 (2005)

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

GRADIOMETER

35 cm

Atom interference fringes

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G: first results

A. Bertoldi, G. Lamporesi , L. Cacciapuoti, M. de Angelis, M. Fattori, T. Petelski, A. Peters, M. Prevedelli, J. Stuhler, G. M. Tino (2006), submitted, arXiv:physics/0606126

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

MAGIA – Relevant numbers

• time separation between pulses T=150 ms

• 106 atoms

• shot noise limited detection

• launch accuracy: 1 mm e ∆v ~ 5 mm/s

• knowledge of the masses dimensions andrelative positions: 10 µm

• 10000 measurements

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Possible test of the gravitational 1/r2 law in the sub-mm range with an atom interferometer

ρ

a = 2πGρd

Example:

ρAu ∼19 g/cm3

d ∼ 100 µm a ∼ 10-9 ms-2

-d--b-

mab Tφ∆ =

• G.M. Tino, in “2001: A Relativistic Spacetime Odyssey”, Firenze, 2001, World Scientific (2003)

• G.M. Tino, Nucl. Phys. B 113, 289 (2002)

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Ultracold Sr – The experiment in Firenze

Firenze 2003, Magneto-optical trapping of all Sr isotopes

-400 -200 0 200

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2087Sr

88Sr

84Sr

86Sr

Laser detuning (MHz)

Flu

ores

cenc

e si

gnal

(V

)

Abundance88Sr 82.6%86Sr 9.9%87Sr 7.0%84Sr 0.6%

• Optical clocks using visibleintercombination lines

Isotope I transition lifetime λ tint σy t-1/2 abundance88Sr 0 1S0-3P1 20 µs 689 nm 10 µs 2 10-13 83%87Sr 9/2 1S0-3P0 200 s 698 nm 0.5 s 10-17 7%

G. Ferrari, P.Cancio, R. Drullinger, G. Giusfredi, N. Poli, M. Prevedelli, C. Toninelli, G.M. Tino, Precision Frequency Measurement of Visible Intercombination Lines of Strontium, Phys. Rev. Lett. 91, 243002 (2003)

• New atomic sensors forfundamental physics tests

G. Ferrari, R.E. Drullinger, N. Poli, F. Sorrentino, G.M. Tino, Cooling of Sr to high phase-space density by laser and sympathetic cooling in isotopic mixtures, Phys. Rev. A 73, 023408 (2006)

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

Why Sr atom?• New quantum sensors

J = 0 ground stateSmall collisional cross sectionFermionic and bosonic atoms

• Physics of ultracold atomsSimple 0 - 1 transitionsTD ≈ Trec for 1S0 - 3P1 transition Two-stage optical cooling and trappingAll-optical cooling to quantum degeneracyDegenerate Bose and Fermi gases

• Optical clocks on visible intercombination lines

1S0 - 3P1 (7.5 kHz) (this work)1S0 - 3P0 (1 mHz, 87Sr)1S0 - 3P2 (<1 mHz)Optical trapping in optical lattices with negligible change of clock frequency

0,56 %139,34150084

9,8 %142,65567086

7,0 %144,3155689/287

82,6 %145,97068088

Natural Abundance

Atomic Mass (10-27 Kg)

Nuclear SpinI

Sr Isotope

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Optical clocks: Towards 10-19

• Narrow optical transitionsδνo ~ 1 Hz, ν0 ~ 1015 Hz

• Candidate atomsTrapped ions: Hg+, In+, Sr+, Yb+,…

Cold neutral atoms: H, Ca, Sr, Yb,…

cycle

0 average fringe

1 12y

atom

TNoiseQ Signal CN

νσπ ν τ

∆i

1950 1960 1970 1980 1990 2000 201010-17

1x10-16

10-15

1x10-14

1x10-13

1x10-12

1x10-11

1x10-10

1x10-9

NPL

?

PTB

Optical clocks

NIST

Ca PTB

H MPQ

Cold atoms

Microwave clocksSlope: gain of 10 every 10 years

ACCURACY OF THE ATOMIC TIME

SYRTE

PTBNIST

PTBNRCNBSVNIIFTRI

NPLNBSLSRH

REL

ATIV

E AC

CU

RAC

Y

YEAR

Gravitational red shift at lab scale

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

Precision gravity measurement at µm scale with Bloch oscillations of Sr atoms in an optical lattice

optical latticebeam

mirror

probebeam

trappedatoms

CCDcamera

red MOTbeams

g

ν = m g λ /2 h

G. Ferrari, N. Poli, F. Sorrentino, and G. M. Tino, Long-lived Bloch oscillations with bosonic Sr atoms and application to gravity measurement at micrometer scale (2006) to be published, arXiv:physics/0605018

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G. M. Tino, GGI Colloquium, Arcetri 22/6/2006

Particle in a periodic potential:Bloch oscillations

( ) ( )( / 2) ( )

i zz e u z

u z u zλ

⋅Ψ =

+ =

q

λ/2

( / 2) ( )V z V zλ+ =periodic potential

Bloch’s theorem

( ) ( )i

z 2 e zλ

λ⋅

Ψ + = Ψq

2/

with a constant external force F

Bloch oscillationsquasimomentum q [2π/λ]

Quantum theory for electrons in crystal lattices: F. Bloch, Z. Phys. 52, 555 (1929)Never observed in natural crystals (evidence in artificial superlattices)Direct observation with Cs atoms: M.Ben Dahan, E.Peik, J.Reichel, Y.Castin, C.Salomon, PRL 76, 4508 (1996)

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Persistent Bloch oscillations

average vertical momentum of the lower peakaverage vertical momentum of the lower peak

widthwidth of the atomic momentum distributionof the atomic momentum distribution

Bloch frequency Bloch frequency vvBB = 574= 574..568(3) Hz 568(3) Hz

damping time damping time ττ = 12 s= 12 s

8000 photon recoils in 7s8000 photon recoils in 7s

ggmeasmeas = 9.80012(5) ms= 9.80012(5) ms--22

G. Ferrari, N. Poli, F. Sorrentino, and G. M. Tino, Long-lived Bloch oscillations with bosonic Sr atoms and application to gravity measurement at micrometer scale (2006) to be published, arXiv:physics/0605018

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Decoherence

A B

1

2

• 88Sr:• 87Sr: suppressed collisions for fermions at low temperatures

τcoh = 1-10 s

• N. Poli, R.E. Drullinger, G. Ferrari, J. Leonard, F. Sorrentino, G.M. Tino, Cooling and trapping of ultracold strontium isotopic mixtures, Phys. Rev A 71, 061403 (R) (2005)

• G. Ferrari, R.E. Drullinger, N. Poli, F. Sorrentino, G.M. Tino, Cooling of Sr to high phase-space density by laser and sympathetic cooling in isotopic mixtures, Phys. Rev. A 73, 023408 (2006)

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gravity measurement with quantum degenerate bosonic and fermionic atoms in optical lattices

g = 9.6 (4) m/s2

δg/g ~ 10-4 in 10 ms

B. P. Anderson, M. A. Kasevich, Macroscopic Quantum Interference from Atomic Tunnel Arrays,Science 282, 1686 (1998)

G. Roati, E. de Mirandes, F. Ferlaino, H. Ott, G. Modugno, M. Inguscio, Atom Interferometry with trapped Fermi Gases, PRL 92, 230402 (2004)

g = 9.7372 (9) m/s2

δg/g ~ 10-4 in 250 ms

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Precision gravity measurement with ultracold Sr atoms in an optical lattice:

• Measured gravity acceleration: gmeas = 9.80012 (5) ms-2

From geophysical data: gref = 9.805046 (9) ms-2

• Present sensitivity: 5 * 10-6 g

• Achievable sensitivity: ~ 10-7 g

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Scheme for the measurement of small distance forces

optical latticebeam

mirror

probebeam

trappedatoms

CCDcamera

red MOTbeams

g

Source mass

ν = m a λ /2 h

Objective: λ = 1- 10 µm, α = 103-104

G. Ferrari, G.M. Tino, INFN note, 2005G. Ferrari, N. Poli, F. Sorrentino & G. M. Tino, 2006, to be published

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Preliminary experiment

Vertical size of the atomic sample: 15 µm

Atom elevator: upward acceleration (1.35 g) for 10 msuniform velocity (133 mm/s) for variable timedownward acceleration (-1.35 g) for 10 msrest for 470 msreverse motion back to the starting point

Vertical position fluctuations: 3 µm rms

0 10 20 30 40 50 60100

1000

10000

100000

Num

ber o

f tra

pped

ato

ms

Distance travelled (mm)

56.04 56.10 56.16 56.22

0

5000

10000

OpticalTweezer

•Vertical size reduced to 4 µm with an optical tweezer

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Surface effect? (Preliminary)

98.5 99.0 99.5 100.0 100.5 101.0 101.5 102.080

90

100

110

120

130

140

150M

omen

tum

wid

th (a

.u.)

Time (ms)

145 µm by the window 15 µm by the window

15 µm from the surface145 µm from the surface

Atom position varied by changing the duration of uniform velocity motionPhase shift between 145 µm and 15 µm: 0.4 rad in 235 oscillations∆F≈ 10-3 gravity

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Other experiments on atom-surface force

Hinds (1993)Aspect-Westbrook (1997)Vuletic (2004): effect of Casimir-Polder on atoms on chipShimuzu, Ketterle (2001,2005): effect of Casimir-Polder on quantum reflectionCornell (2005): measurement of the Casimir-Polder force by oscillations of a BEC

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Casimir-Polder and surface effects

van der Waals

Casimir-Polder

thermal

0 0 05

0

3 ( 1) ( )2 ( 1)CP opt T

cF zz

α ε φ ε λ λπ ε

−= −

+

Casimir-Polder

0 04

0

3 ( 1)4 ( 1)T TkTF z

zα ε λ

ε−

= −+

thermal

87Rb atomsSapphire substrate at 300 KλT = ħc/kBT ~ 7.6 µmλopt ~ 0.1 µm

From M. Antezza et al., Effect of the C-P force on the collective oscillations of a trapped BEC,PRA 70, 053619 (2004)

surface-atom force out of thermal equilibrium

M. Antezza et al., New Asymptotic Behavior of the Surface-Atom Force out of Thermal EquilibriumPRL 95, 113202 (2005)

2 2 20 0

30

( ) 16 1

B Surface Envirneq k T TF

z cαπ ε

ε− +

= −−

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1/z3

1/z4

1/z2

1/z3

vdW

C-P, finite T

T nonequilibrated

Casimir-Polder and surface effects

C-P,

ln(-U)

ln (z)

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Measuring atom-surface forces

Negative curvature attractive potential

Trap frequency decrease

Use trapped BEC as a mechanical oscillatorMeasure changes in dipole oscillation frequency

Unperturbedtrap, ωx

Modifiedtrap, ω

Move near the surface

Oscillating BEC

Surface

Express trap frequency changes as normalized frequency shifts: 2

2

2xx

x

dxUd

m21

ωωωω

−≈−

From E.A. CornellSan Feliu Conference, 2005

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Casimir-Polder force near a dielectric surface

MOT chamber

Multiple dielectric surfaces

From E.A. CornellSan Feliu Conference, 2005

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The absence of forces in addition to C-P force allows us to obtain limits from our data:

6 7 8 9 10 11 12

-1

0

1

2

3

4

5

6

Nor

mal

ized

freq

uenc

y sh

ift (1

0-4)

Trap-center to surface (µm)6 7 8 9 10 11 12

-1

0

1

2

3

4

5

6

Res

idua

l shi

ft (1

0-4)

Trap-center to surface (µm)

Our data with T = 300 KC-P force

Subtract off C-P force

Residual frequency

shifts

Use residuals to obtain a limit on the presence of additional forces

Residuals to the C-P forceFrom E.A. CornellSan Feliu Conference, 2005

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Limits on exotic forces

10-7 10-6 1x10-5

6

8

10

12

14

Price

Lamoreaux 2

Region excluded by experiment

Mostepanenko

Lamoreaux 1

Kapitulnik

This experiment

Forc

e S

treng

th, l

og10

|α|

Distance Scale, λ (m)

( )∫ λ−α+=V

r/e1r

dV GmU ρ

• Very different type of measurement (atom-bulk vs. bulk-bulk)

• Our experiment does not reach the current best limits in 1-10 µm range

• Experimental modifications could improve sensitivity by over an order of magnitude

Current limits on forces of this type:

From E.A. Cornell, San Feliu Conference, 2005

D. M. Harber, J. M. Obrecht, J. M. McGuirk, E. A. Cornell, Measurement of the Casimir-Polder force through center-of-mass oscillations of a Bose-Einstein condensate, PRA 72, 033610 (2005)

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Interferometry with BEC - Proposal

S. Dimopoulos, A. A. Geraci, Probing submicron forces by interferometry of Bose-Einstein condensed atoms, PRD 68, 124021 (2003)

M. R. Andrews, C. G. Townsend, H.-J. Miesner, D. S. Durfee, D. M. Kurn, W. Ketterle, Observation of Interference Between Two Bose Condensates, Science, 275, 637 (1997)

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Accessible region with atomic probes

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Conclusions and Prospects

The small size and high sensitivity of atomic sensors enable the investigation of small spatial-scale forces as in atom-surface interactions, surface-induced decoherence, Casimir-Polder interaction, and for the search of recently predicted deviations from the Newtonian gravitational law at micrometer scale

We observed persistent Bloch oscillations of weak-interacting bosonic Sr atoms in a vertical optical lattice for a time longer than 7 s, with more than 8000 photon momenta coherently transferred to the atoms

Longer coherence time and reduced complexity compared to alternative approaches based on degenerate Bose or Fermi gases

The new scheme can be used for a force sensor with micrometric size and sensitivity ~ 10-7 g

Gravity can be investigated in new unexplored regions (λ ~ 1-10 µm, α ~ 103-104 ) with no need for modeling and extrapolation as in the case of macroscopic probes

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Applications of new quantum sensors based on atom interferometry

αG• Measurement of fundamental constants

• Transportable sensors

• Short-distances forces measurement• Test of equivalence principle

• Search for electron-proton charge inequality

• New definition of kg

• New detectors for gravitational waves ? geophysicsspace

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School & Workshop

http://www.fi.infn.it/GGI/

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People

G. Lamporesi PhD student, Università di FirenzeA. Giorgini PhD student, Università di NapoliN. Poli Post-doc, LENSF. Sorrentino Post-doc, Università di FirenzeA. Bertoldi Researcher, Università di FirenzeG. Ferrari Researcher, INFM/CNRL. Cacciapuoti Long term guest, ESA-NoordwijkM. de Angelis Long term guest, CNR-NapoliR. Drullinger Long term guest, NIST-BoulderM. Prevedelli Long term guest, Università di Bologna

M. Fattori ex-PhD student, now in Stuttgart T. Petelski ex-PhD student, now in MunichJ. Stuhler ex-Post-doc, now in Stuttgart

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)European Commission (EC)Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR)European Laboratory for Non-linear Spectroscopy (LENS)Ente Cassa di Risparmio di Firenze (CRF)European Space Agency (ESA)Agenzia Spaziale Italiana (ASI)Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (INFM)Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia (INGV)

Collaborations• IEN, Torino• IMGC, Torino• Humboldt-Universitaet zu Berlin• IQO, Hannover• ENS and SYRTE, Paris

Supportand funding