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国家授时中心锶原子光钟的实验研制进展

光学学报 2015年第A01期35卷 47-54页

作者：田晓徐琴芳尹默娟孔德欢王叶兵卢本全刘辉任洁常宏中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室陕西西安710600 中国科学院大学北京100049

目前光钟的稳定度和不确定度均已进入10^-18量级。介绍了中国科学院国家授时中心的锶原子光晶格钟的研究情况。以锶原子四种同位素中自然丰度最大的^88Sr为研究对象，依次实现了^88Sr的一级冷却和二级冷却。为消除一阶多普勒频移和反冲... 详细信息

目前光钟的稳定度和不确定度均已进入10^-18量级。介绍了中国科学院国家授时中心的锶原子光晶格钟的研究情况。以锶原子四种同位素中自然丰度最大的^88Sr为研究对象，依次实现了^88Sr的一级冷却和二级冷却。为消除一阶多普勒频移和反冲频移对冷原子运动的影响，充分发挥原子极窄钟跃迁谱线线宽的优点，冷原子被囚禁于光晶格中。而由光晶格导致的原子能级频移的问题可被“魔术”波长解决，对锶原子光钟，光晶格波长为813．4nm。实验中采用功率放大的半导体激光器输出“魔术”波长激光，通过一维驻波光场搭建将^88Sr装载进一维光品格中。测量得到囚禁于光晶格中的冷原子寿命为270ms，温度为3．5μK，数目为1．2×10^5。光晶格囚禁为下一步的钟跃迁信号提供了较长的探测时间并且有利于获得极窄线宽的钟跃迁谱线，因此是光钟研制中很重要的一步。

关键词：量子光学时间频率基准冷原子光晶格钟跃迁

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强相互作用费米气体在谐振子势中的干涉演化

物理学报 2012年第22期61卷 72-79页

作者：文文李慧军陈秉岩河海大学常州校区数理部常州213022 浙江师范大学非线性研究所金华321004

通过数值求解超流序参量方程,研究了强相互作用费米气体从光晶格中释放后的干涉条纹在谐振子势中的演化.发现对于强相互作用的费米气体,膨胀时弹性碰撞使得干涉条纹模糊.为了消除原子间的弹性碰撞而获得近弹道膨胀,实验上采用了快速磁... 详细信息

通过数值求解超流序参量方程,研究了强相互作用费米气体从光晶格中释放后的干涉条纹在谐振子势中的演化.发现对于强相互作用的费米气体,膨胀时弹性碰撞使得干涉条纹模糊.为了消除原子间的弹性碰撞而获得近弹道膨胀,实验上采用了快速磁场扫描技术.数值模拟了强相互作用费米气体在膨胀前的快速磁场扫描过程,得到了清晰的干涉条纹,且发现干涉条纹在谐振子势中做长时间周期振荡.计算了在不同超流区域所形成的干涉条纹,与实验观测到的一致.

关键词：超流费米原子气体快速磁场扫描光晶格干涉条纹

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光学腔辅助动力学晶格中的两组分玻色子

量子光学学报 2024年

作者：张雅丽樊景涛贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室

本文研究一种由光学腔辅助的两组分晶格玻色子系统。在真空环境下，该玻色气体的两个组分具有完全不同的局域特征，而腔光子会诱导两个组分间的隧穿。利用变分方法和自洽平均场方法，我们系统分析了体系的基态性质，得到了系统在不同参... 详细信息

本文研究一种由光学腔辅助的两组分晶格玻色子系统。在真空环境下，该玻色气体的两个组分具有完全不同的局域特征，而腔光子会诱导两个组分间的隧穿。利用变分方法和自洽平均场方法，我们系统分析了体系的基态性质，得到了系统在不同参数空间下的相图。相图展现出了丰富的量子相，包括莫特绝缘体相、超流相和超辐射超流相等。我们发现在腔光子的辅助下，巡游组分的玻色子会诱导局域组分的玻色子发生超流转变。特别地，在特定参数区间内，组分间相互作用会驱动由莫特绝缘体到超辐射超流的反常量子相变。文章最后我们给出了可行的实验方案。我们的工作丰富了玻色-哈伯德模型的相关物理，并为利用光学腔中的超冷原子模拟凝聚态现象提供了有益的思路。

关键词：量子相变冷原子光学腔光晶格

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周期晶格势中玻色-爱因斯坦凝聚体的稳定性

周期晶格势中玻色-爱因斯坦凝聚体的稳定性

作者：洪俊上海大学

学位级别：硕士

在玻色-爱因斯坦凝聚的研究中,稳定性是一个非常重要的问题。稳定性是指系统在不同条件下受到外界微小扰动时能否维持原来的凝聚态。人们发现周期性的晶格势与原子间相互作用的竞争会导致丰富的不稳定性,包括动力学不稳定和朗道不稳定... 详细信息

在玻色-爱因斯坦凝聚的研究中,稳定性是一个非常重要的问题。稳定性是指系统在不同条件下受到外界微小扰动时能否维持原来的凝聚态。人们发现周期性的晶格势与原子间相互作用的竞争会导致丰富的不稳定性,包括动力学不稳定和朗道不稳定。而在超冷原子物理中有两大类周期系统,一种是线性晶格周期势,它的周期性来自周期调制的外势。另一种是非线性晶格周期势,它的周期性来自原子间周期调制的非线性相互作用。本文针对这两大类系统,详细地研究了凝聚体的稳定性。研究内容包含以下三个方面:一是从光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体出发,运用牛顿弛豫法数值计算了系统的布洛赫能带、布洛赫态密度分布。线性布洛赫能带会随着晶格强度的增加而在能带交叉点打开间隙,并且能带会变得平坦。当存在原子间相互作用且大于晶格强度时,非线性布洛赫能带在布里渊区边界处会出现环路结构。对于系统的超流性,非线性相互作用的存在抑制了布洛赫态的动力学不稳定和朗道不稳定,对系统超流性具有保护作用。二是将玻色-爱因斯坦凝聚体加载到非线性光晶格中,运用双模近似的解析方法和数值方法得到系统的能带结构。在一定参数范围内,系统最低布洛赫能带在布里渊区边界附近也出现了环路结构。通过对布洛赫态进行稳定性分析,得到系统的不稳定性相图。研究发现在纯非线性晶格情况下,最低能带上的布洛赫态总是不稳定的,这破坏了系统的超流性。在布里渊区中心处系统动力学不稳定的发生是由平均吸引相互作用导致的。三是为了稳定纯非线性晶格下的布洛赫态,将玻色-爱因斯坦凝聚体加载到混合非线性和线性晶格中。文中建立了同相和异相晶格两种情况,提出使用异相线性晶格来稳定布洛赫态。通过数值求解这两种情况下系统的不稳定相图,并用平均相互作用的机制来揭示布洛赫态稳定的机理。进一步将一个恒定的相互作用引入到系统中,并探究它对最低能带布洛赫态不稳定性的影响。同时,运用双模近似理论解析地研究了系统的布洛赫能带,在一定参数范围内,最低能带在布里渊区边界附近会出现燕尾环的结构。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚光晶格非线性晶格动力学不稳定超流

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基于六角晶格结构的性质研究

基于六角晶格结构的性质研究

作者：陆天伦华东师范大学

学位级别：硕士

光晶格是利用驻波光场制备的周期性势阱,具有纯净、高度可调的性质。光晶格可以模拟固体晶格系统,是研究凝聚态物理中多体强关联相互作用的有效量子模拟器。光晶格中的自旋轨道耦合效应,会导致新的量子态,在量子计算和量子模拟等领域有... 详细信息

光晶格是利用驻波光场制备的周期性势阱,具有纯净、高度可调的性质。光晶格可以模拟固体晶格系统,是研究凝聚态物理中多体强关联相互作用的有效量子模拟器。光晶格中的自旋轨道耦合效应,会导致新的量子态,在量子计算和量子模拟等领域有潜在的应用价值。改变驻波光场的夹角可以制备不同类型的光晶格。其中,六角光晶格由两种不同自旋的三角子晶格构成,可以用来研究狄拉克点的色散关系、人工相对论效应等。在六角光晶格中引入人工规范场,将导致反常量子霍尔效应和各种量子相变。在固体材料中石墨烯同样具有六角晶格结构,其在狄拉克点附近出现线性交叉的能带结构,具有特殊的输运性质。从石墨烯中“切割”出来的石墨烯纳米带是一种准一维材料,其性质主要取决于边缘类型,这一特性在自旋电子学中有广泛的应用。六角晶格中的粒子都表现出特殊的物理性质,在六角晶格石墨烯和六角光晶格系统中都发现了量子霍尔效应、拓扑等,说明两种体系有很多的共性。在实验上制备石墨烯过程中,会存在各类缺陷,对石墨烯的电子性质产生极大的影响。六角光晶格完美的晶格结构可以很好地模拟理想石墨烯的物理性质,这有助于发现石墨烯系统中不同的效应。对六角光晶格中量子相变的研究,有助于理解石墨烯系统的相变特征。光晶格中的新奇现象,大多数能在固体晶格系统中找到原型。因此,六角晶格石墨烯的研究,有助于在六角光晶格中探索更多的效应。本文从两个角度来讨论基于六角晶格结构的性质。(1)归纳了单壁碳纳米管的解离规则,并推广了手性石墨烯纳米带的概念。研究了广义手性石墨烯纳米带的边缘磁性,发现了单空位缺陷对边缘磁性的诱导作用。(2)介绍了六角光晶格的制备方法,以及不同自旋态和自旋依赖晶格势之间相互作用导致的量子相,阐述了六角光晶格对量子相变临界点的调制机制。

关键词：六角晶格广义手性石墨烯纳米带边缘磁性光晶格量子相变

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周期性晶格的应变与扭曲效应

周期性晶格的应变与扭曲效应

作者：左承毅华东师范大学

学位级别：硕士

超冷原子具有宏观量子性及人工可调性,是新型量子物质形态,而光晶格是由激光束之间的干涉产生的空间周期性驻波,可通过调节激光的方向、偏振、频率等参数实现不同的晶格结构。光晶格超冷原子系统是模拟凝聚态物理难以观测到的物理现象... 详细信息

超冷原子具有宏观量子性及人工可调性,是新型量子物质形态,而光晶格是由激光束之间的干涉产生的空间周期性驻波,可通过调节激光的方向、偏振、频率等参数实现不同的晶格结构。光晶格超冷原子系统是模拟凝聚态物理难以观测到的物理现象和重要规律的重要平台。石墨烯是由单层碳原子构成的周期性蜂窝状的固体晶格,是真实存在的二维材料,在低维材料的研究中具有十分重要的意义。石墨烯的能带在费米能量附近是线性色散的,这使得石墨烯成为一种零带隙半导体,其电子表现为无质量的狄拉克费米子,石墨烯中的电子传输特性吸引了人们的广泛关注。光晶格与固体晶格具有类似的晶格结构,光晶格中的原子相当于固体晶格中的电子。对石墨烯施加应变与将两层石墨烯叠加并扭曲所带来的奇特物理现象,启发人们研究在应变与扭曲光晶格中冷原子的量子效应。相应地,由于光晶格中超冷原子的纯净性与易操控性,可以用光晶格超冷原子系统来模拟石墨烯,避免固体晶格中的其他因素对石墨烯中电子性质的影响,帮助人们更深入的理解与研究石墨烯中难以解释的物理现象与奇特性质。本文从以下两方面讨论了周期性晶格的应变与扭曲效应:（1）介绍了对石墨烯施加应变与将两层石墨烯叠加并扭曲所带来的奇特物理现象,研究了在对称应变下的石墨烯纳米带的相关性质。发现在对称应变石墨烯纳米带的上下两个半平面存在大小相等、方向相反的赝磁场,并在模型中间区域产生了“蛇形态”。（2）介绍了利用光晶格超冷原子体系实现应变与扭曲的方法,通过改变扭转角度、势阱深度、原子相互作用、耦合强度等参数研究了扭曲光晶格中原子的空间分布。

关键词：超冷原子光晶格石墨烯应变扭曲

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二维正方晶格中的自旋轨道耦合效应

山西大学学报(自然科学版) 2018年第2期41卷 351-355页

作者：刘聪明徐志浩张云波山西大学理论物理研究所

基于自旋轨道耦合对凝聚态物理的重要性,研究了二维自旋轨道耦合的相对强度对二维正方光晶格系统的影响。文章令二维自旋轨道耦合一个维度的耦合强度与系统跃迁强度相当,即选择x方向的自旋轨道耦合强度α与系统的跃迁强度t相等,通过改变... 详细信息

基于自旋轨道耦合对凝聚态物理的重要性,研究了二维自旋轨道耦合的相对强度对二维正方光晶格系统的影响。文章令二维自旋轨道耦合一个维度的耦合强度与系统跃迁强度相当,即选择x方向的自旋轨道耦合强度α与系统的跃迁强度t相等,通过改变y方向自旋轨道耦合强度β,研究相对强度β/α对色散关系和边缘态的影响。从能谱的计算和图例分析,得出改变相对强度并不会使系统的能隙打开,即不会改变系统半金属的性质,但会影响系统能带的色散关系。在相对强度很小时,色散关系呈非线性的特征;而当其变大时,色散关系变为线性。在开边界条件下,系统存在稳定的边缘态,因此系统具有非平庸的拓扑性质。

关键词：自旋轨道耦合光晶格半金属边缘态

参数调制下一维晶格中玻色—爱因斯坦凝聚的稳定性

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参数调制下一维晶格中玻色—爱因斯坦凝聚的稳定性

作者：马吉利西北师范大学

学位级别：硕士

近年来,周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚受到了广泛的关注,尤其是光晶格中周期性调制玻色-爱因斯坦凝聚的动力学及其稳定性已经成为冷原子物理的热门研究课题。光晶格中周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚系统存在许多有趣的物理现象,比如动... 详细信息

近年来,周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚受到了广泛的关注,尤其是光晶格中周期性调制玻色-爱因斯坦凝聚的动力学及其稳定性已经成为冷原子物理的热门研究课题。光晶格中周期性调制的玻色-爱因斯坦凝聚系统存在许多有趣的物理现象,比如动力学局域化、玻色子的超流态-绝缘态相变以及拓扑能带结构、人工磁场、人工自旋轨道耦合和人工维度等的实现。通过研究有外加周期调制谐振势的光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚动力学稳定性,发现原子间相互作用和周期性调制可以显著地改变玻色-爱因斯坦凝聚的稳定性条件。实际上,玻色-爱因斯坦凝聚中原子间还存在长程的偶极相互作用,但是对同时存在接触相互作用和偶极相互作用的光晶格系统中周期性调制特性的研究目前仍然比较少。因此,本文第一个工作重点讨论偶极相互作用对具有周期性调制谐振势的光晶格中偶极玻色-爱因斯坦凝聚动力学稳定性的影响。另一方面,人工磁场下玻色磁梯系统的相变和动力学研究也受到了广泛关注。发现玻色磁梯系统存在丰富的相变和动力学特性,比如手征流和迈斯纳相等,这对凝聚态物理中超导现象的深入理解具有重要的意义。但是,目前人们主要考虑了自由空间情况,对有外加谐振势的玻色磁梯系统的研究仍然比较少,尤其对有周期性调制谐振势的玻色磁梯系统的研究很欠缺。所以,本文第二个工作研究了外加周期调制谐振势对玻色磁梯系统定态及稳定性的影响。本文的结构安排如下:第一章简单介绍了与本文研究密切相关的背景知识,包括光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚的理论基础,偶极玻色-爱因斯坦凝聚,周期性调制对凝聚体动力学及稳定性的影响,以及玻色磁体系统中相变及动力学研究现状和存在的问题。第二章从理论上研究了有外加参数调制谐振势的一维深晶格中偶极凝聚体的稳定性。通过变分分析和数值模拟两种方法,求解了一个具有短程接触作用和长程偶极-偶极相互作用的无量纲离散Gross-Pitaevskii(GP)方程。解析地得到了凝聚体宽度随系统参数变化的微分方程,由此得到了一个控制凝聚体稳定性的临界条件。研究发现系统的稳定性可以通过接触相互作用、偶极相互作用以及对谐振势周期性驱动强度的耦合作用来调控。此外,还观察到了呼吸态、扩散态以及吸引相互作用引起的囚禁态。通过对离散GP方程做直接数值模拟,解析结果得到了验证。第三章将外加参数调制谐振势下的一维光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚的稳定性研究推广到了人工磁场下的玻色磁梯系统中,研究了具有周期性调制谐振势的玻色磁梯系统的稳定性。解析地得到了玻色磁梯两腿之间无或有粒子数差时的定态方程,讨论了相互作用、谐振势平均强度以及周期驱动强度对凝聚体的波包宽度的影响,分析了凝聚体的波包宽度对两腿间的跃迁振幅和粒子数差的依赖关系。我们发现,当两腿间没有粒子数差时,在弱相互作用下外部谐振势对玻色磁梯中凝聚体的波包宽度有很大影响,随着相互作用的增强,外部周期谐振势对凝聚体波包宽度的影响越来越小。当玻色磁梯两腿间粒子数差较大时,凝聚体波包宽度对两腿间跃迁振幅的依赖性更加明显。进一步解析地得到了有外加周期调制谐振势的玻色磁梯系统的稳定性临界条件,当原子间相互作用、谐振势的平均强度、玻色磁梯两腿间粒子数差以及周期驱动强度满足临界条件时,系统才能达到稳定状态。最后,简要地总结了这两项工作并对这个领域的研究前景进行展望。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚光晶格周期性调制偶极相互作用玻色磁梯

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一维准周期晶格中的安德森局域化

一维准周期晶格中的安德森局域化

作者：皇甫宏丽山西大学

学位级别：硕士

超冷原子的实现以及激光冷却原子技术开辟了冷原子物理这一新的研究领域,为在实验上实现玻色—爱因斯坦凝聚提供了充分的技术准备。实验上通常将原子捕陷于由多束激光互相干涉形成的光晶格中来研究超冷原子的物理性质。随着“安德森局... 详细信息

超冷原子的实现以及激光冷却原子技术开辟了冷原子物理这一新的研究领域,为在实验上实现玻色—爱因斯坦凝聚提供了充分的技术准备。实验上通常将原子捕陷于由多束激光互相干涉形成的光晶格中来研究超冷原子的物理性质。随着“安德森局域化”概念的提出,人们便将无序的随机势引入光晶格中,发现当无序为零时,粒子呈现扩展态的性质,即其本征函数为布洛赫函数;而随着无序的逐渐增大,波函数在空间呈现指数衰减的特点,也意味着发生了安德森局域化现象。因此,无序体系的研究也受到了广泛关注,国内外科学家们尝试着在其它无序体系中研究安德森局域化。Aubry和André预测了在一维准周期光晶格中也存在安德森局域化转变,通过引入非公度的在位化学势,提出著名的Aubry-André(AA)模型,掀起了人们对AA模型的研究热潮。本文介绍了经典的AA模型以及该模型下单粒子的一些性质。AA模型具有一个安德森局域转变点?/J(28)1,即当?/J(27)1时,本征态全部处于扩展态;?/J(29)1时,所有的态都是局域态。在转变点处,本征态具有多分形的特征。因此,AA模型不存在迁移率边。通过改变在位化学势和格点间的跃迁规则,出现了一系列推广的AA模型,其迁移率边具有简洁的解析表达式。迁移率边作为无序系统中最重要的概念之一总是受到格外关注。在具有相互作用的无序系统中,希尔伯特空间的维度超过了计算的范围,因此多体迁移率边的存在性一直是个开放性问题。本文研究了在强相互作用下的一维准周期晶格中,运用微扰理论得到粒子对的有效哈密顿量,从而得到玻色子对的迁移率边;数值上,利用精确对角化方法,并且通过计算每个本征态标准参与率(NPR)值得到数值结果。分析了参数b取不同值时,玻色子对迁移率边的数值结果和解析结果。b(28)0和小b情况下,数值结果和解析结果相吻合。特别地,b(28)0时,迁移率边为??-1/E,随着相互作用强度的增大,系统的扩展态区域和迁移率边将会消失。L??极限下,对系统的扩展态区域和局域态区域的NPR值做尺寸分析,扩展态的NPR值正比于1/L,趋近于一个有限值;局域态的NPR正比于(7)1/L(8),趋近于0。在b?1时,调制势是发散的,解析表达式将不再适用。期望我们的结果可以打开多体迁移率边的新视野。

关键词：光晶格安德森局域化无序迁移率边多体局域化