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冷原子3
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空间冷原子物理研究(BEC3小组)

1.项目简介
      我国计划2018年发射载人空间站,2022年发射科学实验舱II,建立国家级太空实验室,安置14个实验科学平台,北京大学作为科学总体单位负责超冷原子物理实验平台原理样机研制与科学实验等(中国科学院上海光学精密机械研究所作为工程总体单位负责超冷原子物理实验平台的初样与正样产品),具体由陈徐宗教授领导的量子电子学研究所冷却原子与精密测量实验室承担相关任务,组建研究团队即BEC3研究小组。北京大学研究小组将联合中科院物理所、中科院武汉物理研究所、中科院上海光机所、华东师范大学等单位一起开展空间超冷原子物理实验。

      该实验平台将利用空间微重力环境条件,获得温度比地面低三个数量级(达到pK量级),建设具有超低温、大尺度、高质量以及适合长时间精密测量的玻色与费米量子简并工作物质的开放实验系统。平台使冷原子的调控达到新的参数区域,从而可以开展一系列极端条件下的超冷原子物理实验,包括模拟强关联多体量子系统,探索新奇量子物态,进行黑洞模拟与霍金辐射观测,验证基本物理规律等。它的建成将实现我国超冷原子物理领域的系列突破,使我国载人航天科学实验研究进入世界前列。

2.原理样机初步设计
      冷原子物理实验平台置于科学舱标准实验机柜中,大小为1703毫米×952.5毫米×567毫米。它由四个主要单元:Ⅰ物理单元(科学腔;2D-MOT;原子源;真空泵); Ⅱ激光单元(铷原子激光部分;钾原子激光部分;科学实验用的激光部分); Ⅲ电控单元; Ⅳ系统电源;这四个单位将被分别置于的几个标准抽屉单元内。
 
      物理单元介绍
     
物理单元由四部分组成:2D-MOT,科学腔,真空泵和原子源。科学腔有26窗口,用于激光注射和成像。科学腔内真空度为4×10-9Pa,2D-MOT 腔为2*10-8Pa,由离子泵,吸气泵和钛升华泵维持。原子源可提供钾原子和铷原子。钾原子源是自制的,由置换反应完成。全部的物理单元置于一个标准抽屉(SDU)内,大小为413毫米*953毫米*585毫米。
 
物理单元
3.实现PK超低温的新方法
      在微重力环境中得到Pk超冷气体,我们提出了两步交叉偶极阱蒸发冷却的方法(简称:两步交叉冷却)。
      为了证实在微重力环境下得到超冷原子的可能性,我们提出运用直接蒙特卡罗模拟法(DSMC)方法计算铷原子在光偶极陷阱蒸发冷却过程。在微重力环境中,铷原子经过两个阶段在交叉光阱中的蒸发冷却过程,最终冷却至Pk量级。
(1)冷原子装载:两束交叉的1064nm激光,每束5W,形成一个紧围偶极势阱,见图a。参数:用10mK,相空间密度103
(2)降低势阱:两束激光按照下式在5秒内降到1.5mW,束腰不变。得到4000个处于5nK温度的原子。其中τ1=0.018,β1=1.4
P(t)=P0 (1+t/τ)
(3)浅光阱:加载两束激光(3mm光腰,30mW功率),形成更宽松,更浅的偶极阱,见图b。继续降低两束窄激光功率,10s后完全关闭。其中τ2=0.01,β2=1。此时势阱频率仅仅为ωz=2π×0.014Hz,如图c。最终我们得到3000个铷原子的BEC,温度为约7Pk。
 
图a 紧约束的交叉偶极阱
 
图b宽松约束的交叉偶极阱

图c浅偶极阱
  
图d 微重力下Rb原子数和温度演变,(a)原子数随时间变化(b)温度与时间的关系。

参考文献:

[1] Generating a picokelvin ultracold atomic ensemble in microgravity, Lu Wang, Peng Zhang, Xu-Zong Chen and Zhao-Yuan Ma, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 46 195302 (2013)
[2]Two-stage crossed beam cooling with 6Li and 133Cs atoms in microgravity,

Tian Luan, Hepeng Yao, Lu Wang, Chen Li, Shifeng Yang, Xuzong Chen, and Zhaoyuan Ma,Opt. Express23, 11378 (2015)
[3]Comparison of different techniques in optical trap for generating picokelvin 3D atom cloud in microgravity,Hepeng Yao,Tian Luan, Chen Li,Yin Zhang,Zhaoyuan Ma,Xu-Zong Chen,Optics Communications359: 123-128 (2016)