一种基于光磁结合的BEC量子涡旋产生方法

摘要

本发明涉及一种基于光磁结合的BEC量子涡旋产生方法。根据激光冷却原子以及磁场、激光捕获和操纵原子原理，建立了一种基于光磁结合的BEC量子涡旋产生新方法；根据著名的Bogoliubov平均场理论，可以从Gross‑Pitaevskii(GP)方程中得到涡旋态的波函数；采用8束激光在三维空间冷却原子团产生BEC；利用磁势阱冷却、捕获、操控原子技术，在磁阱捕获冷原子系统中，通过设计四极场中偏置场的各项参数，获取势阱较大范围的各向异性；结合激光使原子产生感应偶极矩操纵原子原理，采用激光“搅拌”旋转势阱中冷原子形成涡旋。从而提高BEC量子形成涡旋速度，并且提高实验的可行性，易于操作。本发明属于凝聚态超流体物理领域，可用于对凝聚态超流体特性的观测，以及BEC涡旋的应用研究。

主权项

一种基于光磁结合的BEC量子涡旋产生方法，其特征在于：根据激光冷却原子以及磁场、激光捕获和操纵原子原理，建立了一种基于光磁结合的BEC量子涡旋产生的新方法；根据著名的Bogoliubov平均场理论，可以从Gross‑Pitaevskii(GP)方程中得到涡旋态的波函数；采用8束激光在三维空间冷却原子团产生BEC；利用磁势阱冷却、捕获、操控原子技术，在磁阱捕获冷原子系统中，通过设计四极场中偏置场的各项参数，获取势阱较大范围的各向异性；结合激光使原子产生感应偶极矩操纵原子原理，采用激光“搅拌”旋转势阱中冷原子形成涡旋；从而提高BEC量子形成涡旋速度，并且提高了实验的可行性，易于操作，具体包括以下步骤：(1)激光冷却原子利用8束激光从不同方向上照射到原子上，其中6束激光分布在横向面上，各个方向的夹角是60度，另外两束激光沿着垂直于横截面的纵向相向传播；当光的频率υ等于原子本征频率υ₀时，原子吸收光子的概率最大，原子冷却速度也最快；原子总会最先吸收与其相向运动的光子，由于多普勒效应，而原子实际感受到激光频率为υ′＝υ(1+ν/c)，其中ν为原子移动速率，c为光速，且v＜＜c；所以入射光频应调整为为υ＝υ₀(1‑ν/c)；(2)TOP构成及数学表达TOP是由常规的四极阱和横向面上一个旋转的偏置场组成其中，四极场可以表示为：B_Q＝B′_Q(xe_x+ye_y‑2ze_z)式中，B_Q为磁场强度，B′_Q为磁场梯度，x、y、z为各坐标轴分量，e_x、e_y、e_z为各轴向单位矢量；旋转偏置场可表示为：B＝B_xcosw₀t·e_x+B_ysinw₀t·e_y式中，B为场强，B_x、B_y分别场强在为x、y轴的分量幅度，w₀为振荡频率；所以，势阱中的总势可表示为：U_(x,y,z,t)＝μB′_Q|(x+Er₀cosw₀t)e_x+(y+r₀sinw₀t)e_y‑2ze_z|其中U_(x,y,z,t)表示场中势，E＝B_x/B_y，r₀＝B_y/B′_Q，μ为原子磁距；(3)TOP中偏置场设计势阱中势在3个坐标轴上的分量可分别表示为：ω_x,ω_y,ω_z，势阱横向各项异性ε可表示为：$ϵ=\frac{{{\omega }^2}_y-{{\omega }^2}_x}{{{\omega }^2}_x+{{\omega }^2}_y}$当ε值在较小范围内时，ω_x/ω_y‑1≈(B_y/B_x‑1)/4，所以通过设计偏置场B_x、B_y的值，即可改变势阱势的各项异性，从而为下一步激光“搅拌”原子做准备；(4)激光旋转产生涡旋采用一束蓝失调聚焦激光束，沿着磁阱对称轴方向传播，并且以一定的频率Ω旋转起来，在BEC中产生量子涡旋；根据GP(Gross‑Pitaevskii)方程：其中，式中，Ψ₀(r,t)为原子波函数，g表示原子间相互作用强度，a为原子s波散射长度，V_ext为外部势阱势，m为原子质量，为约化普朗克常数；得到量子涡旋态的波函数：Ψ_(r)＝ψ_(r)exp[iS_(r)]式中为波函数的模，n(r)为冷原子数密度，S_(r)为速度势。