三维光学晶格中铯原子的装载与冷却

建立了四光束的三维光学晶格势场,在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上实现了红失谐三维光学晶格中冷原子的装载.借助于短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度,通过改变光学晶格的总光强和频率失谐等条件,对光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却以及光学晶格中冷原子的寿命进行了研究. 关键词： 光学晶格 磁光阱 光学粘团 冷原子     

多模1064nm光纤激光器实现一维远失谐光晶格

采用1064 nm多模30 W连续光纤激光器, 搭建了一个周期为25 μm的一维远失谐光学晶格势场. 对铷原子进行磁光阱装载和偏振梯度冷却, 实现了铷冷原子团在光晶格中的装载. 借助于短程飞行时间法, 测量晶格中冷原子温度为20 μK, 为下一步实现量子信息存储实验奠定了基础.     

用短程飞行时间吸收谱对铯磁光阱中冷原子温度的测量

介绍采用短程飞行时间吸收谱测量铯原子磁光阱(MOT) 中冷原子温度的基本原理及实验实现.与通常的飞行时间方法不同，采用短程飞行时间吸收谱来测量MOT 中冷原子云的温度.在MOT 区域正下方若干毫米处入射一束圆柱状共振探测光束(实验中对于h=3mm，5mm，8mm的情况均作了研究)，释放冷原子云，在其膨胀和自由下落过程中穿过探测光束，即可由光电探测器测得飞行时间吸收谱，由此推得MOT中冷原子的温度. 关键词： 磁光阱 冷原子 飞行时间 短程飞行时间 铯原子     

基于~(87)Rb原子的大失谐光晶格的设计与操控

提出了一种基于~(87)Rb原子的大失谐光学晶格的设计方案,详细介绍了光晶格光束的校准、频率失谐的调整以及光强输出的控制方式.在磁光阱和偏振梯度冷却的基础上,研究了光学晶格的总光强和频率失谐等参数对原子装载的影响,实现了光晶格中冷原子的绝热装载与卸载.通过光强调制的方法,测量了光晶格的振动频率.光晶格的引入,使得温度降低为原有的1/3.涉及的系统设计和结论对其他碱金属原子光晶格的实验设计具有参考价值.     

基于磁悬浮大体积交叉光学偶极阱的Dimple光阱装载研究

三维拉曼边带冷却后的铯原子样品装载于一个磁悬浮的大体积交叉光学偶极阱中, 继续加载一个小体积的光学偶极阱后, 实现了Dimple光学偶极阱对铯原子的高效装载. 对不同磁场下磁悬浮大体积光阱的有效装载势能进行理论分析与实验测量, 得出最优化的梯度磁场和均匀偏置磁场, 获得了基于磁悬浮大体积光阱的Dimple光学偶极阱的装载势能曲线, 实现了Dimple光学偶极阱对经拉曼边带冷却后俘获在磁悬浮的大体积光阱中的铯原子样品的有效装载. 比较了Dimple光学偶极阱分别从拉曼边带冷却、大体积的交叉光阱和消除反俘获势后的磁悬浮大体积光阱装载的结果, 将俘获在磁悬浮大体积光阱中的铯原子样品装载到Dimple光学偶极阱, 铯原子样品的密度提高了约15倍.     

采用强聚焦光学系统实现原子操控的一种方案

采用光学手段操控原子是研究原子之间纠缠、控制其相互作用的重要途径,也是量子信息研究中的重要课题.本文基于目前的实验系统,提出了利用由三组驻波场组成的强聚焦光学系统产生间距可控的光学晶格,并在此基础上实现多光学偶极阱的一种方案.我们系统地讨论了两驻波场与第三驻波场的夹角和相对位相对光学阱分布的影响,指出在此基础上可以在一定程度上通过微光学阱实现单个原子的操控并实现偶极阱间距的可控调节.该结果对研究光学晶格中的BEC之间的作用、原子干涉以及原子之间偶极一偶极作用等具有重要意义.     

时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟, 在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用. 介绍了铯原子喷泉钟的工作原理, 对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析, 影响频率稳定度性能的主要因素为Dick 效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声, 影响频率不确定性能主要频移项为: 黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移; 总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术; 介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.     

一种新颖的表面空心微光阱阵列

提出了采用四台阶相位光栅与微透镜阵列组合产生一种新颖的表面空心微光阱阵列的方案，研究了表面空心微光阱阵列的光强分布，计算了相应的光学囚禁势，并讨论了该微光阱阵列在原子分子光学中的潜在应用.研究表明当用1W的YAG激光照射时，在1cm²面积上可产生近10⁴个空心光阱，每个光阱具有较小的囚禁体积和较大的有效光强及其强度梯度，对⁸⁵Rb原子的光学囚禁势可达190μK.如此深的光阱足以囚禁冷原子或冷分子，并可用于实现全光型原子或分子玻色-爱因斯坦凝聚，甚至制备新颖的光学晶格等. 关键词： 空心光阱 冷原子或冷分子 光学晶格     

弱磁场下三阱光学超晶格中自旋为1的超冷原子特性研究

双阱光学超晶格中的超冷原子是近期冷原子物理领域的研究热点. 本文推广提出了实现三阱光学超晶格的方案, 并采用精确对角化的方法分别研究了弱磁场下对称三阱 光学超晶格中铁磁性和反铁磁性的自旋为1的原子系统的基态, 发现二者的相图很不相同: 反铁磁性原子对应的相图中没有沿磁场方向总自旋磁量子数为±2的基态, 而铁磁性原子对应的相图中可能有. 在负的二次塞曼能量区域, 铁磁性原子的相图中只有完全极化态. 分析了可控参数影响基态的物理本质. 由于这些量子自旋态可以通过调节外磁场和光势垒的高度非常简便而精确地控制, 适合用来研究自旋纠缠. 关键词： 三阱光学超晶格 自旋为1的原子 弱磁场     

铯原子汽室中光学厚度的实验测量与精确模拟EI北大核心CSCD

对铯原子汽室中不同能级和不同温度的原子在不同光强和不同偏振光作用下的光学厚度进行了实验测量。理论上通过建立每个塞曼子能级的速率方程,利用龙格-库塔算法求得了布居数随时间演化的数值解,从而得到了依赖于时间的吸收系数。考虑到原子热运动以及光束束宽对光学厚度的影响,利用数值积分得到了原子共振频率附近的平均吸收系数,进而利用比尔法对光通过铯原子汽室的透射曲线进行了精确的拟合,最终得到了实验系统中原子汽室光学厚度的精确值。理论分析和实验结果表明,随着温度的升高,光学厚度迅速增大;随着光强的增加,光学厚度略有变小。     

锶玻色子的“魔术”波长光晶格装载实验研究

光晶格中性原子光钟的不确定度已达到10^-18量级. 本文介绍了碱土金属锶原子玻色子⁸⁸Sr在“魔术”波长处的一维光晶格装载, 实现冷锶原子的囚禁并使锶原子的钟跃迁能级(5s²) ¹S₀-(5s5p) ³P₀在此波长处的交流斯塔克光频移一致. 实验中半导体激光器产生“魔术”光波长(813 nm), 通过实验搭建光学驻波场并获得晶格激光聚焦光束, 束腰半径为38 μm. 经过一级冷却和二级冷却后温度约为2 μK的冷锶原子被此“魔术”波长光晶格囚禁. 通过实验测量得到锶原子玻色子⁸⁸Sr光晶格寿命为270 ms, 数目约为1.2×10⁵, 温度在3.5 μK左右, 此外研究了晶格光功率对晶格囚禁原子数目及温度的影响作用. 原子的光晶格装载为后续的钟跃迁提供了长的探测时间, 为进一步的光钟闭环提供了实验基础.     

Excitation Spectrum of Spin-1 Bosonic Atoms in an Optical Lattice with High Filling Factors

The Green＇s function and the higher-order correlation functions of spin-1 cold atoms in an optical lattice are defined. Because we consider the problem of spin-1 Bose condensed atoms in an optical lattice with high filling factors, i.e., the number density of Bose condensed atoms no is large, the fluctuation of them can be neglected and we take mean-field approximation for the higher-order terms. The excitation spectra for both the polar case and the ferromagnetic case are obtained and analyzed.     

EXPERIMENTAL STUDY ON LASER COOLING OF CESIUM ATOMS BY OPTICAL MOLASSES

We have studied the relationship between the temperature of Cs cold atoms and the parameters of the cooling laser. The atoms are first cooled and captured by a magnetooptical trap and then further coaled by optical molasses. The temperature of atoms la measured by a time-of-flight method. For relatively large laser intensity and small detuning, the temperature depends linearly on the intensity-to-detuning ratio, and nonlinear relationship has alao been found in other case.     

Analysis of the blackbody-radiation shift in an ytterbium optical lattice clock

We accurately evaluate the blackbody-radiation shift in a171 Yb optical lattice clock by utilizing temperature measurement and numerical simulation. In this work. three main radiation sources are considered for the blackbody-radiation shift, including the heated atomic oven, the warm vacuum chamber, and the room-temperature vacuum windows. The temperatures on the outer surface of the vacuum chamber are measured during the clock operation period by utilizing seven calibrated temperature sensors. Then we infer the temperature distribution inside the vacuum chamber by numerical simulation according to the measured temperatures. Furthermore, we simulate the temperature variation around the cold atoms while the environmental temperature is fluctuating. Finally, we obtain that the total blackbody-radiation shift is -1.289(7)Hz with an uncertainty of 1.25×10~(-17) for our ~(171)Yb optical lattice clock. The presented method is quite suitable for accurately evaluating the blackbody-radiation shift of the optical lattice clock in the case of lacking the sensors inside the vacuum chamber.     

Quantum phase transition of cold atoms trapped in optical lattices

We review our recent theoretical advances in phase transition of cold atoms in optical lattices, such as triangular lattice, honeycomb lattice, and Kagomé lattice. By employing the new developed numerical methods called dynamical cluster approximation and cellular dynamical mean-field theory, the properties in different phases of cold atoms in optical lattices are studied, such as density of states, Fermi surface and double occupancy. On triangular lattice, a reentrant behavior of phase translation line between Fermi liquid state and pseudogap state is found due to the Kondo effect. We find the system undergoes a second order Mott transition from a metallic state into a Mott insulator state on honeycomb lattice and triangular Kagomé lattice. The stability of quantum spin Hall phase towards interaction on honeycomb lattice with spin-orbital coupling is systematically discussed. And we investigate the transition from quantum spin Hall insulator to normal insulator in Kagomé lattice which includes a nearest-neighbor intrinsic spin-orbit coupling and a trimerized Hamiltonian. In addition, we propose the experimental protocols to observe these phase transition of cold atoms in optical lattices.     

Effective sideband cooling in an ytterbium optical lattice clock

Sideband cooling is a key technique for improving the performance of optical atomic clocks by preparing cold atoms and single ions into the ground vibrational state. In this work, we demonstrate detailed experimental research on pulsed Raman sideband cooling in a $^{171}$Yb optical lattice clock. A sequence comprised of interleaved 578 nm cooling pulses resonant on the 1st-order red sideband and 1388 nm repumping pulses is carried out to transfer atoms into the motional ground state. We successfully decrease the axial temperature of atoms in the lattice from 6.5 μK to less than 0.8 μK in the trap depth of 24 μK, corresponding to an average axial motional quantum number $\langle n_z\rangle<0.03$. Rabi oscillation spectroscopy is measured to evaluate the effect of sideband cooling on inhomogeneous excitation. The maximum excitation fraction is increased from 0.8 to 0.86, indicating an enhancement in the quantum coherence of the ensemble. Our work will contribute to improving the instability and uncertainty of Yb lattice clocks.     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。