NIM-Sr2锶原子光晶格钟物理系统研究

锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。中国计量科学研究院在第1套锶原子光晶格钟NIM-Sr1的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第2套锶原子光晶格钟NIM-Sr2。NIM-Sr2的物理系统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到1×10^(-8) Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了0.166 K。系统频移评估表明,这些物理系统的改进显著减小了NIM-Sr2的系统频移不确定度,达到了7.2×10^(-18)。

光晶格中的量子液滴的变分动力学分析

本文研究了光晶格中量子液滴的波包动力学以及动力学不稳定性。我们从光晶格中量子液滴的Gross-Pitaevskii方程出发,通过紧束缚近似得到对应的离散方程,随后通过拉格朗日变分法对量子液滴进行动力学分析,并且通过元激发谱对量子液滴进行动力学不稳定性分析。结果表明,随着量子液滴相互作用强度的增强,波包的自束缚区域逐渐缩小,扩散区域逐渐增大,并且当液滴相互作用强度达到某一临界值时,原本存在的稳定振荡区域完全消失。通过光晶格中量子液滴的元激发谱可以发现,液滴相互作用强度发生微小的变化动力学不稳定性会发生显著变化,并且随着液滴相互作用强度的减小,动力学不稳定性区域逐渐收缩至准动量较小的区域。

光晶格中极性分子链的量子纠缠

极性分子受到外电场作用,其分子轴将绕电场方向在一定范围内振荡,形成摆动态.通过选择能级最低的磁量子数M=0的两个摆动态作为量子比特,研究了囚禁在一维光晶格中的分子链的量子纠缠.计算了共生纠缠度、全局纠缠度与和电场强度、永久偶极矩、转动常数、偶极–偶极相互作用及温度等有关的3个无量纲变量之间的关系,从而阐明了极性分子链的量子纠缠的特点.

锯齿形光晶格合成理论与加磁场时冷原子能带结构

本文提出了一种合成锯齿形光晶格的理论,并且采用理论计算的方法探讨了冷原子在外加磁场的锯齿光晶格中的能带结构。通过对比无磁场情况,发现磁场会在其色散关系图中产生一个空洞。并且沿锯齿势方向出现与广义Kronig-Penney模型中发现的谱带相似的能带结构。

基于移动光晶格布洛赫振荡的原子干涉重力仪

针对目前传统的原子干涉重力仪—马赫-曾德尔型原子重力仪存在体积较大,影响设备便携性的问题,北京大学实现了国内首个基于移动光晶格的布洛赫振荡原理的小型化原子干涉重力仪。本实验系统的采样率达到0.9 Hz,能够满足长期实时测量的需求,且实验系统中原子的竖直位移约为3 cm,灵敏度达到4.6×10^(2)μGal·Hz^(-1/2),在2800 s积分时间内,分辨率可以达到6.5(0.7)μGal。实验成果为原子干涉重力仪的小型化与实用化指明了未来的发展方向。

锶原子光晶格钟碰撞频移的测量

中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,碰撞频移引起的频移修正量和不确定度是其中重要的一项,且其评估结果将直接影响交流斯塔克频移的评估.碰撞频移来源于囚禁在同一个格点里面原子间的相互作用,其大小与原子的密度有关.本文实验测量了国家授时中心87Sr光晶格钟的碰撞频移.利用水平方向的一维光晶格囚禁数目在10^4量级、温度为3.4μK的冷原子,用极化光将原子抽运到基态mF=±9/2的塞曼子能级上,获得了钟跃迁自旋极化谱.通过高低原子密度自比对的方法测量了87Sr光晶格钟系统中与原子密度相关的碰撞频移.在原子密度差为4×10^10/cm^3的条件下对系统的碰撞频移进行了37次独立测量,得到系统的碰撞频移为–0.13 Hz,统计不确定度为3.1×10^–17.自比对的艾伦偏差在8000 s时达到了4×10^–17,表明系统的测量精度在10^–17量级是可靠的,为锶原子光晶格钟系统不确定度全面评估奠定了基础.

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38μm.经过一级冷却和二级冷却后温度约为2μK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3.5μK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.

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10^(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.

利用模清洁器实现锶光钟的光晶格光源强度噪声的抑制

利用模清洁器过滤高频噪声的特性,对锶原子光钟的光晶格光源—813nm半导体激光器的强度噪声进行抑制。首先对模清洁器腰斑和激光器腰斑之间的匹配透镜参数进行理论计算,通过模式匹配,得到模清洁器的反射信号和透射信号。然后利用pound-drever-hall(PDH)边带稳频技术将模清洁器锁定于激光频率上,由模清洁器透射出的激光强度噪声被抑制。利用一对平衡零拍探测器对经过模清洁器前后的激光器强度噪声进行测量。结果表明,未经过模清洁器的激光强度噪声在分析频率30MHz内无法达到散粒噪声极限,经过模清洁器后,激光强度噪声在约8MHz达到散粒噪声极限。通过强度噪声抑制,可使813nm半导体激光器用于锶冷原子光晶格装载实验,并且减小了光晶格噪声对势阱囚禁冷原子的影响,有利于下一步的钟跃迁谱探测实验。

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.

光晶格中双组分偶极BECs的临界振幅

在线性稳定性分析和离散非线性Schrdinger方程的基础上,对光晶格中双组分偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(BECs)调制不稳定性的临界振幅进行了研究,得到了光晶格中双组分偶极BECs原子系统的激发谱和调制不稳定性的临界振幅及它们与在位相互作用和由偶极-偶极相互作用所导致的格点间BECs的相互作用之间的关系.结果显示,格点间BECs的相互作用对光晶格中双组分偶极BECs的调制不稳定性有很大的影响,这可为实际应用中如何操控双组分偶极BECs提供有用的信息.

锶原子冷却与光晶格装载

锶原子光钟冷却实验实现原子由一级宽带冷却到二级窄线宽冷却转移二级冷却后原子温度约为2μK;晶格激光在原子冷却过程中始终开启,实现原子边冷却边装载。

两全同粒子在一维光晶格中的量子行走

基于满足周期性边界条件的一维光晶格模型,分别研究遵从玻色-爱因斯坦统计的玻色系统、遵从费米-狄拉克统计的费米系统以及硬核玻色系统下的两粒子关联、关联涨落、平均粒子数分布以及动力学演化等问题,计算量子统计性质和相互作用强度(排斥)对两粒子量子行走(独立行走和绑定行走)的影响.结果表明,在坐标空间中,随着时间的增大,粒子向晶格边缘移动,尤其当相互作用为零时,玻色系统的两粒子关联虽呈现聚束现象,却展示出一种与众不同的对称——输入输出对称,而费米(硬核玻色)系统的两粒子关联呈现类似环类的空间分布.随着排斥相互作用的增大,3系统都会出现两粒子绑定行走行为,在强相互作用下,研究的物理量(粒子关联、关联涨落和平均粒子数分布)在3系统中几乎相同;在动量空间中,玻色系统呈典型的聚束现象,费米系统呈反聚束现象,硬核玻色系统呈聚束现象.计算结果为实验上研究不同系统(玻色、费米和硬核玻色)的物理性质提供了依据,并佐证了实验上排斥相互作用下束缚态产生的实验结果.

光晶格中偶极BEC的调制不稳定性

在GP方程和离散Schr d inger方程的基础上,对光晶格中偶极玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的调制不稳定性进行了研究,得到了光晶格偶极BEC原子系统的激发谱和调制不稳定性区域与在位相互作用以及偶极-偶极相互作用之间的关系.结果显示,偶极-偶极相互作用对光晶格中偶极BEC的非线性激发和稳定性有很大的影响,为实际应用中如何操控偶极BEC提供有用的信息.

中国科学院国家授时中心光晶格锶原子光频标研究进展

介绍了中国科学院国家授时中心光晶格锶原子光频标研究的工作,主要包括锶原子的两级冷却与俘获,光晶格装载,钟跃迁探测,拉比振荡的测量以及基于光频测量的精密测量理论与技术研究。目前实验上获得温度为8.4μK,数目约1×10~5个^(88)Sr原子的一维光晶格;通过磁场混合~3P_1态与~3P_0态,扫描测量得到线宽为180 Hz的^(88)Sr钟跃迁谱线;获得拉比振荡曲线且拉比π脉冲时间为5 ms时原子跃迁几率达到65%。基于锶原子光钟研究平台,国际上首次全面测量了锶原子组间跃迁(5s^2)~1S_0–(5s5p)~3P_1所有天然同位素的跃迁频率;采用对两个外腔半导体激光器进行级联光学注入的办法,对光梳的模式进行选择和放大(重复频率250 MHz),成功实现了锶原子光钟的窄线宽冷却的689 nm光源,放大倍率达2×10~5倍,边模抑制比大于37 d B,线宽远小于240 Hz,为下一步锶原子光钟系统的简化提供了一条值得探索的途径。

一维光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚的粒子数分布

对捕陷在三维轴对称谐振势阱叠加一维光晶格的组合势中的玻色凝聚气体,基于平均场G ross-P itae-vsk ii方程理论,并运用G-P能量泛函和变分方法,得出了非线性薛定谔方程的一维形式,运用数值计算的方法,研究了组合势中子凝聚体的粒子数分布与光晶格深度之间的关系,同时分析了磁势阱对子凝聚体粒子数分布的影响。

深光晶格势阱中凝聚体的扭结包络隙孤子

发展准离散多尺度法结合紧束缚近似,解析地研究了局陷于光晶格势阱中凝聚体的非线性动力学性质.结果发现,系统中出现稳定的对称包络孤子外,还可观察到一种新的非线性元激发:扭结包络隙孤子.有趣的是,该隙孤子并不传播且局域在初始位置,其幅度可通过光晶格势阱的晶格常数和势阱深度来调控.相应的实验方案是:通过改变形成光晶格势阱的两交叉耦合激光束之间的夹角和(或)激光光强来调控扭结包络隙孤子的幅度.

光晶格中超冷原子自旋纠缠的研究

多粒子量子纠缠是进行量子计算的关键资源,近年来发展起来的光学晶格技术为操控大量超冷原子量子比特进行信息处理带来了机遇.介绍在超冷原子自旋比特纠缠实验研究中取得的最新进展.此工作为使用光晶格中超冷原子间纠缠进行量子计算奠定了实验基础.

锶光晶格钟中黑体辐射频移问题的实验方案

在锶原子光晶格钟中,黑体辐射频移对系统的频率不确定度影响最为显著。本文从两个方面提出改善这一问题的方案:一方面利用DC Stark效应精确测量原子的静态极化率差;另一方面,将钙光钟与锶光钟的钟跃迁频率进行综合考量,构建出一个不含有黑体辐射频移的参考频率作为频率标准,锶光钟系统的相对不确定度可望控制在2.97×10-17以内。