Magnetic T3-Atomic and Light-Based Gravimetry

Abstract

Esta tesis desarrolla y analiza enfoques alternativos para la gravimetría de alta precisión basados en interferencia cuántica y óptica. Se estudian dos estrategias principales.

En primer lugar, se analiza un gravímetro atómico magnético tipo T³, en el que fuerzas dependientes del estado en un gradiente de campo magnético generan una aceleración diferencial entre paquetes de onda atómicos, produciendo una fase que escala cúbicamente con el tiempo de interrogación. Se presenta un marco teórico que incluye descripciones semiclasicas y cuánticas, así como un análisis de limitaciones como la expansión de la nube atómica y la decoherencia.

En segundo lugar, se propone un gravímetro basado en luz, donde la gravedad se mide mediante el corrimiento al rojo gravitacional de fotones en un interferómetro óptico. El modelo considera efectos realistas como potenciales gravitacionales, contribuciones atmosféricas y sistemáticos ópticos, y se compara su sensibilidad con la de gravímetros atómicos.

Ambos enfoques se describen dentro de un marco unificado en el que la fase interferométrica está determinada por la acción a lo largo de cada trayectoria, contribuyendo al desarrollo de sensores cuánticos para la medición de la gravedad.

This thesis develops and analyzes alternative approaches to high-precision gravimetry based on quantum and optical interference. Two main strategies are explored.

First, a magnetic T³-atomic gravimeter is studied, where state-dependent forces in a magnetic field gradient generate differential acceleration between atomic wave packets, leading to a phase that scales cubically with interrogation time. A theoretical framework is presented, including semiclassical and quantum descriptions, as well as an analysis of limitations such as atomic cloud expansion and decoherence.

Second, a light-based gravimeter is proposed, where gravity is measured through the gravitational redshift of photons in an optical interferometer. The model incorporates realistic effects such as gravitational potentials, atmospheric contributions, and optical systematics, and its sensitivity is compared with atomic gravimeters.

Both approaches are discussed within a unified framework, where the interferometric phase is determined by the action along each path, contributing to the development of quantum-enhanced gravimetric sensors.