北京大学玻色-爱因斯坦凝聚的实现及研究进展

在这里我们报道北京大学玻色-爱因斯坦凝聚的实现和研究进展.观察到单个和多个组分的87 Rb玻色-爱因斯坦凝聚的形成.介绍了北京大学玻色-爱因斯坦凝聚的实验系统,包括达到10-11毫巴的双磁光阱超高真空系统,大功率半导体激光系统,激光稳频和频率控制系统, QUIC磁阱及磁阱的控制系统,蒸发冷却系统,吸收成像和CCD数据采集处理系统,LabVIEW时序控制系统.     

铯原子双磁光阱中冷原子的输运：从推载到导引

在超高真空环境下实现中性原子的激光冷却与俘获，可以有效地避免背景气体对冷原子的碰撞所造成的影响，已成为玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子光学腔量子电动力学、中性原子玻色-费米混合气体等实验研究的出发点。结合气室磁光阱和超高真空磁光阱的所谓双磁光阱，以其真空系统相对简单、参数易于控制、效率高等优点，得到了很大发展。双磁光阱既能在气室磁光阱部分从处于室温的原子背景中快速冷却和俘获原子，然后将其通过一定途径输运到超高真空磁光阱中，又能达到在压力极低的超高真空环境下制备冷原子的目的。     

大失谐连续输运激光情形下双磁光阱中冷原子的输运

在我们建立的铯原子双磁光阱实验装置上,采用连续激光将气室磁光阱中冷却并俘获的冷原子输运到超高真空磁光阱.在前期利用近共振弱光研究原子输运的工作基础上,我们将输运激光的负失谐量扩展到约2.0 GHz,并增大了输运光功率,对冷原子的输运作了实验研究.结果表明:在大负失谐情形下,较强的输运光使冷原子输运更为有效,归因于输运光束对原子的偶极力造成对冷原子的导引作用.     

紫外光诱导原子脱附技术在单腔磁阱装载中的应用

基于光诱导的原子脱附技术，采用脉冲紫外光剥离出玻璃池壁上吸附的铷原子以形成可快速开启和关断的脉冲铷原子源，成功地解决了单真空腔系统中磁阱的原子数和寿命之间的矛盾，突破了激光冷却和囚禁技术向小型化乃至微型化发展过程中的一个瓶颈.脉冲光源由390nm的LED阵列组成.实验结果表明它能够在1s内使真空铷原子气体分压提高近30倍,并且当紫外光关闭后系统的真空恢复到平衡状态的时间非常短，约120ms.测量了不同铷原子分压下磁光阱所俘获的最大原子数和装载时间,并由此得出系统的背景真空和磁光阱所能俘获的极限原子数，进一步得出磁阱的原子数-寿命积与磁光阱保持阶段时间的变化关系，结果显示在约1.25s处出现极大值，与无磁光阱保持阶段而直接进行磁阱装载情况相比提高了约0.3倍. 关键词： 激光冷却 磁光阱 光诱导原子脱附 原子数-寿命积     

光致原子解吸附对冷原子磁光阱装载的动力学研究

在获得光致原子解吸附(light-induced atom desorption,LIAD)效应的基础上,从理论和实验方面分析了LIAD对铯原子磁光阱装载的动力学过程的影响,特别是背景原子对磁光阱的影响.通过实验获得了不同光强和照射时间下关闭解吸附光后磁光阱中铯原子的衰减过程,理论模型定量地描述了背景铯原子造成压强的变化及其对最终平衡态下真空度的影响.该研究对中性原子的长时间俘获,有效控制磁光阱中原子的装载过程具有重要意义. 关键词： 光致原子解吸附 磁光阱 激光冷却与俘获     

中性汞原子磁光阱装载率的优化

量子投影噪声是影响光晶格钟的一个重要参数,提高磁光阱中装载率有利于降低量子投影噪声,可提升光晶格钟的性能.针对实验所用的汞原子单腔磁光阱,本文分析并计算了磁光阱中汞原子受力情况和一维运动规律,在此基础上用随机数方法对磁光阱中汞原子三维装载进行了数值计算,获得了磁光阱中的稳态原子数,研究了磁光阱的冷却激光的光强、失谐量以及磁场梯度等参数对稳态原子数的影响,得出了获得最优装载率的实验参数.涉及的计算方法和结论对汞原子光晶格钟的实验设计具有参考价值.     

用吸收法对铯原子磁光阱中冷原子数目的测量

介绍了吸收法测量冷原子数的原理以及对铯原子气室磁光阱中俘获的冷原子数目的测量过程及结果. 与通常的荧光收集法相比，在原理上与静止二能级原子同共振单模光场作用的模型更加接近，同时大大减小了测量中的误差累积，提高了测量精度. 测得的冷原子数为(8±0.3)×10⁶，同时还利用测得的阱中俘获的稳态冷原子数和磁光阱中冷原子的寿命间接获得了磁光阱的俘获率. 关键词： 激光冷却与俘获 磁光阱 冷原子数目 俘获率     

功率谱密度法标定光镊的三维光阱刚度

采用四象限探测器和功率谱密度法,搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统.实验中,用四象限探测器记录微粒做受限布朗运动时的位置信息,用功率谱密度法标定光阱刚度,测得了直径0.97μm SiO2小球和直径1μm PMMA小球的光阱刚度与激光功率的关系.结果表明:对于SiO2小球,当激光功率为50~120mW时,光阱刚度与激光功率成正比;对于PMMA小球,当激光功率为80~130mW时,光阱刚度与激光功率成正比.该光镊系统可用于生物、物理等微观领域研究的高准确度测力系统.     

Rb原子磁光阱中囚禁原子数目与实验参数的依赖关系

研究表明，Rb原子磁光阱中所囚禁的原子数目对囚禁光的光强和失谐量，回泵光的强度以及磁场梯度有很大的依赖关系.用二能级系统模型对囚禁原子数目随囚禁光的光强和失谐量的变化关系进行了预估，理论预测的结果与实验结果定性符合.实验结果也展示了囚禁原子数目随回泵光的强度和磁场梯度的变化关系，要定量解释这些实验结果则需要更复杂的理论模型.通过囚禁原子数目对实验参数依赖关系的研究，得到特定的实验参数，来获得最大数目的冷原子. 关键词： 磁光阱 冷原子     

磁光阱中单原子荧光信号的优化及单原子的高效装载

实验中首先通过增大四极磁场梯度、提高背景真空度、缩小冷却俘获激光光束直径的方法获得了磁光阱中单原子的装载.其次,通过减小冷却光失谐量、适当增加其光强、同时使用偏振光谱锁频技术抑制冷却光噪声的方法得到了磁光阱中高信号背景比的单原子荧光信号.此外,通过实时反馈控制磁光阱四极磁场梯度的方法,在实验中实现了单原子98%的装载概率.使用Hamburg Brown-Twiss方案测量了磁光阱中的单原子在连续光激发下所辐射荧光的光子统计特性,得到二阶关联度g(2)(τ=0)=0.09.     

三维光晶格中玻色凝聚气体基态波函数及干涉演化

基于Gross-Pitaevskii方程，运用有效化学势概念，研究了囚禁在组合势(由磁阱和三维光 晶格组成)中玻色凝聚气体在三维光晶格中的分布规律，并由此得到玻色凝聚气体的归 一化基态波函数.在取消组合势和仅取消光晶格而保留磁阱的两种情况下，运用传播子方 法求解出玻色凝聚气体密度分布的解析表达式.取消组合势后，理论计算所得到的玻色凝聚 气体聚随时间的演化规律与Greiner等的实验结果相一致.仅取消光晶格而保留磁阱时，研 究表明玻色凝聚气体的干涉模式呈现周期性的振荡行为.此外，在磁阱为各向异性的情况下 ， 关键词： 玻色凝聚气体 磁阱 光晶格 干涉模式     

应用于铯原子喷泉钟的二维磁光阱研制

理论模拟研究了二维磁光阱原子束流量与饱和蒸汽压、冷却光强、激光失谐量的关系, 构建了二维磁光阱(2D-MOT)装置, 实验上实现了大流量的慢速原子束, 其测量值为2.1× 10⁹/s.利用荧光法测量了各实验参数与流量的关系, 测量结果与数值模拟结果符合较好. 关键词： 2D-MOT 流量 慢速原子束 铯原子喷泉钟     

铯原子D2线调制转移光谱及其在激光器锁频中的应用

在铯原子气室磁光阱(VC-MOT)及超高真空磁光阱(UHV-MOT)实验中,需要将冷却和俘获激光负失谐锁定于铯原子D2线的62S1/2F=4→62P3/2F′=5超精细跃迁线处.     

~(87)Rb玻色-爱因斯坦凝聚体的快速实验制备

采用二维磁光阱产生了-个快速~(87)Rb原子流,并在高真空的三维磁光阱中实现了~(87)Rb原子的快速俘获,进一步采用射频蒸发冷却技术实现了原子云的预冷却,然后将原子转移到远失谐的光学偶极阱中蒸发得到了玻色-爱因斯坦凝聚体.实验上可以在25 s内完成三维磁光阱的装载(约1.0×10~(10)个~(87)Rb原子),然后经过16 s的冷却过程最终在光学偶极阱中获得5.0×10~5个原子的玻色-爱因斯坦凝聚体.实验重点研究了二维磁光阱的优化设计和采用蓝失谐大功率光束对四极磁阱零点的堵塞,抑制四极磁阱中原子的马约拉纳损耗,更加有效地对原子云进行预冷却.     

(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响

我们实验研究了(110)-GaAs量子阱中光生载流子对电子自旋弛豫的影响。通过测量量子阱的荧光寿命和光学吸收计算,我们能得到不同泵浦光功率下的带间吸收所产生的空穴浓度;相对应地,通过双色磁光科尔旋转技术,我们测量了该GaAs量子阱中电子自旋的动力学过程。结合两者,我们得到了电子自旋弛豫速率与空穴浓度的关系。实验结果表明电子自旋弛豫速率与空穴浓度呈线性依赖关系,验证了BirAronov-Pikus机制主导该体系的电子自旋弛豫。     

以慢原子束方式进行原子转移的双磁光阱系统

建立了一套用于玻色-爱因斯坦凝聚实验的铷原子双磁光阱装置.从低速强源中获得慢原子束，向超高真空磁光阱进行原子转移.低速强源磁光阱与超高真空磁光阱之间可维持3个量级的压强差,超高真空磁光阱的真空度最高可达1×10^-9 Pa. 慢原子束的束流通量达1×10⁹/s. 约4×10⁸个⁸⁷Rb原子被装载到超高真空磁光阱中.还讨论了两种典型情况下磁光阱中装载的最大原子数.     

不同光场二阶相干度的实验研究

基于Hanbury Brown-Twiss(HBT)实验,我们借助于两个单光子计数模块,一个50/50分束器和一个快速计数卡(FastCom-P7888)研究了不同光场的二阶相干度。我们首先制备了脉冲相干光,连续相干光以及单原子发出的单光子源,并测量这几种不同光场的二阶相干度g(2)(τ)。我们通过测量俘获在磁光阱(MOT)和远失谐偶极阱(FORT)中的单原子在近共振连续激光激发下所辐射的荧光的二阶相干度,分别得到了g(2)(τ=0)=0.08和g(2)(τ=0)=0.09,借助于实验中产生的脉冲光与单原子,接下来我们将进行触发式单光子源的实验研究。     

基于二维磁光阱的增强型199Hg冷原子团制备

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于¹⁹⁹Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的¹⁹⁹Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10⁵ s^–1,然后使用压缩磁光阱技术将¹⁹⁹Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.     

光栅磁光阱中原子受力理论分析

从原子受力模型出发,研究光栅磁光阱中衍射光与磁场非正交条件下亚多普勒冷却机制,建立四束型和五束型光栅磁光阱中原子受力冷却和陷俘理论模型,分析光栅磁光阱作用下原子受到散射力与陷俘速度、回复力与形成势阱范围关系,以及光栅衍射角对原子陷俘速度和原子囚陷范围的影响。结果表明,衍射光与入射光的合力在磁场中心位置为零,构成有效势阱,光栅衍射角引起的衍射光偏振分量的变化对原子所受阻尼力、回复力和原子陷俘速度均有影响,也会最终影响到光栅磁光阱囚禁的原子数,为光栅磁光阱实现原子冷却和陷俘,以及光栅芯片设计提供了理论依据。     

基于三角形衍射光栅的原子冷却囚禁实验研究

基于三角形衍射光栅搭建的三维磁光阱实现了87Rb原子的冷却囚禁,自主完成了三角形衍射光栅的设计制备,在保证合理衍射效率及衍射圆偏度的情况下有效抑制了零级光效率,其参数满足光学粘胶平衡条件。基于该光栅搭建了一套磁光阱系统,开展原子囚禁实验。在合理的参数设置下,成功实现了原子囚禁,经测算囚禁原子数量在106量级。基于三角形衍射光栅的原子冷却囚禁实验的成功,对于三维磁光阱的低功耗、小型化具有参考意义,有望应用于小型化冷原子精密测量系统中。