《磁阱中87Rb凝聚體中的量子渦旋形成機制的實驗研究》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由熊德智擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：磁阱中87Rb凝聚體中的量子渦旋形成機制的實驗研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：熊德智
- 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在稀薄氣體凝聚體中獲得量子渦旋已經被認為是凝聚體具有超流性質的證據。由於它的低密度特性，稀薄氣體凝聚體中的量子渦旋在理論上比較容易處理。同時，稀薄氣體凝聚體中的渦旋核的直徑比氦II中的大3倍，而且在實驗上我們可以用自由飛行的方法將其展開，所以渦旋的尺寸可以足夠大，非常方便我們採用光學手段來探測它。基於上述原因,稀薄氣體凝聚體成為了研究量子渦旋的一種非常好的介質載體。本項目以87Rb原子的冷卻過程為核心,開展在稀薄氣體凝聚體系統中製備量子渦旋態的實驗研究。在實驗上通過調節原子自旋態製備時量化軸的方向相對QUIC阱軸向的相對位置，改變射頻蒸發的時間、蒸發功率等參數來獲得87Rb凝聚體中的量子渦旋。並進一步將量子渦旋裝載到一維光學晶格中，研究其量子特性。通過本項目的開展，將為在實驗上探索普適的相變行為提供一種簡便的途徑。
結題摘要
超流是量子物理世界中非常重要的一個概念。它是無摩擦的流體，是單個量子態巨觀占據的後果。區別於正常流體，超流具有無耗散流動的特徵；這種〝永恆流〞與穩定的量子渦旋相關。對於正常流體，如果我們將其放在一個旋轉的容器中，達到穩態時，流體將和容器作為一個整體一起旋轉。但是對於超流情況完全不同——對於小的旋轉頻率，在超流中沒有運動被觀測到；而在關鍵頻率以上，一些奇點將會出現在它的速度場中。這些奇點被稱為量子渦旋，它們與速度的量子環路相對應，其相位圍繞渦旋核旋轉2π弧度的整數倍。人們首次發現超流是在液氦-Ⅱ中，隨後，在稀薄鹼金屬凝聚體中也發現了超流的特徵。相比於氦-Ⅱ，在稀薄氣體的凝聚體中研究量子渦旋（超流的主要拓撲特徵）具有很大的優勢：渦旋核的直徑具有更大的尺寸(比氦-Ⅱ中的渦旋核大三個量級),再經過自由飛行膨脹後,渦旋核的尺寸足以大到使得我們可以用光學成像方法直接觀測它。在稀薄鹼金屬凝聚體中，渦旋可以通過直接操縱量子相位截面的方法產生,例如相位印製；也可以採用動力學的方式產生，例如，雷射攪動凝聚體和旋轉囚禁勢；還可以採用合併多個凝聚體方式以及通過量子湍流演化和孤子衰減的方式產生。本項目對QUIC磁阱中87Rb凝聚體形成量子渦旋的實驗機制進行了系統的研究，並在實驗上採用兩種實驗方案分別實現了87Rb凝聚體中的量子渦旋。方案一是採用通過控制87Rb原子的不同自旋態的布局數使87Rb原子在蒸發冷卻的過程中自發的凝聚體到量子渦旋；該方案是項目申請書中提出的主要實驗方案。在利用該方案實現量子渦旋時，我們還觀測到了兩個自旋態的玻色愛因斯坦凝聚。方案二是採用在蒸發冷卻過程中耦合角動量的方法使凝聚體中產生量子渦旋。利用該方案產生量子渦旋時，我們還觀測到了凝聚體的剪刀模式。另外，在該項目的支持下，我們還完成了（1）混合勢阱中同時實現雙種族原子（87Rb和23Na）的玻色愛因斯坦凝聚；（2）一維光學晶格系統中凝聚體的量子相位漲落的測量等工作。本項目的執行為我們深刻地理解超流相干性質的演化提供一個很好的實驗基礎；也使我們認識到87Rb凝聚體作為超流僅能通過量子渦旋的方式支持流體的旋轉。
