超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第四百八十四期)

2024年3月18日

上海光機(jī)所在原子超低溫測(cè)量技術(shù)上取得進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部基于原子干涉測(cè)量超冷原子pK量級(jí)溫度的技術(shù)，解決了深度冷卻后磁場(chǎng)敏感態(tài)原子的溫度測(cè)量難題。

目前，在空間微重力環(huán)境下通過(guò)深度冷卻技術(shù)可以獲得pK量級(jí)溫度的超冷原子樣品。常用的飛行時(shí)間法在測(cè)量如此低的溫度時(shí)，所需自由飛行時(shí)間在秒量級(jí)。對(duì)于處于磁場(chǎng)敏感態(tài)的原子，即使是微弱的殘余非均勻磁場(chǎng)都會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的膨脹過(guò)程中使原子團(tuán)嚴(yán)重變形而無(wú)法獲得溫度信息，因此傳統(tǒng)的飛行時(shí)間法顯然不適用。

研究人員提出了基于原子干涉的雙駐波脈沖相干分束法用于超低溫測(cè)量。該方案只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)駐波光脈沖之后動(dòng)量態(tài)的布居分布就可以標(biāo)定溫度，測(cè)量時(shí)間在毫秒量級(jí)，因此可以忽略微弱非均勻磁場(chǎng)的影響。相關(guān)論文以“Characterizing ultra-narrow momentum of atoms by standing-wave light-pulse sequences”為題發(fā)表于Journal of the Optical Society of America B。

同時(shí)，研究人員利用空間超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜的地面樣機(jī)進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)光阱中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體由于原子間相互作用與外勢(shì)平衡，動(dòng)能等效溫度在1nK量級(jí)。駐波脈沖兩次作用時(shí)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體處于光阱中，然后再?gòu)内逯嗅尫抛杂娠w行，測(cè)量中心零級(jí)動(dòng)量部分的布居。實(shí)驗(yàn)獲得的零級(jí)布居隨脈沖間距演化呈現(xiàn)衰減的振蕩，與理論預(yù)言一致，并且擬合獲得的動(dòng)量寬度也與通過(guò)原子數(shù)目阱頻率等計(jì)算獲得的結(jié)果基本一致。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的振蕩周期比用簡(jiǎn)單理論計(jì)算的稍短，計(jì)入原子間相互作用的影響可以解釋這一現(xiàn)象。相關(guān)論文以“Determining the Momentum Width of a Trapped Bose-Einstein Condensate by One-Dimensional-Optical-Lattice Pulse Sequences”為題發(fā)表于Physical Review Applied。

此外，為了與無(wú)相互作用的理論比對(duì)，研究人員還進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)。用高斯光束模擬原子波包，以光束的發(fā)散模擬原子的動(dòng)量分布也就是溫度效應(yīng)，用聲光調(diào)制器中的超聲光柵模擬一維光晶格的駐波場(chǎng)，兩次通過(guò)聲光調(diào)制器后測(cè)量零級(jí)衍射光的占比。改變反射鏡到聲光調(diào)制器的距離，獲得的零級(jí)衍射光占比隨著距離變化的振蕩衰減曲線與理論預(yù)言較好的符合，從而展示了這種方法的有效性。針對(duì)不完美實(shí)驗(yàn)條件下采集的數(shù)據(jù)發(fā)展出一套有效擬合方法，可以被移植到超冷原子溫度測(cè)量的數(shù)據(jù)處理中。相關(guān)論文以“Optical simulation of an ultra-sensitive thermometer based on atom interferometry”為題發(fā)表于Optics and Laser Technology。

這一系列研究從理論、地面冷原子實(shí)驗(yàn)、光學(xué)模擬以及數(shù)據(jù)處理等各方面論證了原子干涉法測(cè)量pK量級(jí)超低溫的可行性，解決了對(duì)于磁場(chǎng)敏感態(tài)原子超低溫測(cè)量的難題，為空間冷原子實(shí)驗(yàn)提供了新的實(shí)驗(yàn)手段。

相關(guān)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)項(xiàng)目的支持。

原文鏈接

圖1 光阱中玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體的雙駐波脈沖分束實(shí)驗(yàn)。(a)實(shí)驗(yàn)示意圖；(b)實(shí)驗(yàn)時(shí)序；(c)(d)原子吸收像；(e)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合。

圖2 光學(xué)方法模擬雙駐波脈沖分束測(cè)超冷原子溫度。(a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方形黑點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的零級(jí)光占比，紅色曲線是根據(jù)理論公式進(jìn)行的擬合。