[發(fā)明專利]一種基于光磁結(jié)合的BEC量子渦旋產(chǎn)生方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610077488.7
• 申請(qǐng)日: 2016-02-03
• 公開（公告）號(hào): CN105760661B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任元;李基;邵瓊玲;謝璐;王衛(wèi)杰;王剛;成蕊;林源
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍裝備學(xué)院
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 謝磊

本發(fā)明涉及一種基于光磁結(jié)合的BEC量子渦旋產(chǎn)生方法。根據(jù)激光冷卻原子以及磁場(chǎng)、激光捕獲和操縱原子原理，建立了一種基于光磁結(jié)合的BEC量子渦旋產(chǎn)生新方法；根據(jù)著名的Bogoliubov平均場(chǎng)理論，可以從Gross?Pitaevskii(GP)方程中得到渦旋態(tài)的波函數(shù)；采用8束激光在三維空間冷卻原子團(tuán)產(chǎn)生BEC；利用磁勢(shì)阱冷卻、捕獲、操控原子技術(shù)，在磁阱捕獲冷原子系統(tǒng)中，通過設(shè)計(jì)四極場(chǎng)中偏置場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，獲取勢(shì)阱較大范圍的各向異性；結(jié)合激光使原子產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩操縱原子原理，采用激光“攪拌”旋轉(zhuǎn)勢(shì)阱中冷原子形成渦旋。從而提高BEC量子形成渦旋速度，并且提高實(shí)驗(yàn)的可行性，易于操作。本發(fā)明屬于凝聚態(tài)超流體物理領(lǐng)域，可用于對(duì)凝聚態(tài)超流體特性的觀測(cè)，以及BEC渦旋的應(yīng)用研究。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光磁結(jié)合的BEC量子渦旋產(chǎn)生方法，適用于對(duì)凝聚態(tài)超流體特性的觀測(cè)，以及BEC量子渦旋應(yīng)用的研究。

技術(shù)背景

超流體具有無摩擦、無粘性等眾多特點(diǎn)，這種物質(zhì)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)具有不同于普通流體的特殊性質(zhì)，因此具有很大探索和發(fā)展空間，1978年蘇聯(lián)科學(xué)家彼得.卡皮察因首次觀察到液態(tài)氦4的超流體特性而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種超流體現(xiàn)象被凝聚態(tài)理論成功解釋。20世紀(jì)20年代愛因斯坦預(yù)言在超低溫度下，原子會(huì)發(fā)生相變而凝聚在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是玻色愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation)，簡(jiǎn)稱BEC。后來由于1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者朱棣文、Claud Cohen Tannoudji、Willian D.Phillips的貢獻(xiàn)，使得原子冷卻與捕獲技術(shù)得到很大突破，為實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)冷原子BEC狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

目前對(duì)于超流體特性的研究，形成了以物理學(xué)科為牽引，各個(gè)學(xué)科交叉融合與跟進(jìn)的探索熱潮。BEC的超流體特性體現(xiàn)在眾多方面，其中量子渦旋是其超流體特性的一項(xiàng)重要證明。據(jù)已有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，BEC量子渦旋具有進(jìn)動(dòng)特性，每一個(gè)渦旋都會(huì)發(fā)生由于外場(chǎng)的變化引起的旋進(jìn)，并且量子渦旋態(tài)具有無摩擦特點(diǎn)，具有研制超高精度BEC量子渦旋陀螺的巨大潛力，一旦成功實(shí)現(xiàn)，將引領(lǐng)新一代航天探測(cè)器發(fā)展，在未來商業(yè)、軍事等領(lǐng)域帶來巨大優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)量子渦旋的形成以及其具有的特性已進(jìn)行了初步探索，目前產(chǎn)生量子渦旋的方法有以下幾種：(1)美國JILA小組使用Phase Imprinting方法產(chǎn)生渦旋，這種方法涉及到一種原子的兩種超精細(xì)亞能級(jí)態(tài)(|F＝1,m_F＝-1|,|F＝2,m_F＝+1|)，主要思想是用微波和旋轉(zhuǎn)激光來產(chǎn)生一種含有兩種能級(jí)狀態(tài)共存的渦旋，其中|F＝2,m_F＝+1|狀態(tài)原子發(fā)生渦旋，|F＝1,m_F＝-1|狀態(tài)原子位于渦旋中心，但不參與旋轉(zhuǎn)，這種方法涉及原子成分復(fù)雜，且渦旋不穩(wěn)定。(2)法國ENS小組利用Stirring Beam產(chǎn)生渦旋，這是一種熱平衡的結(jié)果，他們的實(shí)驗(yàn)中實(shí)際用到的激光旋轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)超理論值。(3)牛津大學(xué)也曾利用旋轉(zhuǎn)囚禁原子的磁場(chǎng)的方法獲得渦旋，這種方式在操作上較難實(shí)現(xiàn)，延時(shí)較大。(4)利用帶有軌道角動(dòng)量的拉蓋爾高斯光束直接照射原子，從而將軌道角動(dòng)量傳遞給原子，但產(chǎn)生的渦旋不穩(wěn)定。

對(duì)于目前已存在的量子渦旋產(chǎn)生方法，存在延時(shí)大、激發(fā)頻率高、耗能高、操作復(fù)雜等問題，提出了一種基于光磁結(jié)合的量子渦旋產(chǎn)生方法，操作簡(jiǎn)單，并且能夠縮短渦旋產(chǎn)生時(shí)間、減小激發(fā)頻率、降低能耗。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服振蕩激光束產(chǎn)生的各向異性勢(shì)較弱，旋轉(zhuǎn)光束頻率要求較高，操作手段較難實(shí)現(xiàn)等不足，提出了一種提高產(chǎn)生渦旋效率和增強(qiáng)可行性的方法，在磁阱捕獲冷原子系統(tǒng)中，通過設(shè)計(jì)四極場(chǎng)中偏置場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，獲取勢(shì)阱較大范圍的各向異性，采用激光“攪拌”旋轉(zhuǎn)勢(shì)阱中冷原子形成渦旋，進(jìn)而提高量子渦旋的形成效率，也簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜度。