超辐射散

在超辐射散射实验中，发现散射光在物质波中传播时因折射率的变化引起的红蓝失谐具有非对称性，测量了超辐射散射空间动量谱，演示了光脉冲的不同入射角度形成的非对称散射。在不同角度入射超辐射散射中，通过半经典的麦克斯韦-薛定谔方程进行模拟，得到散射图样与实验结果相吻合。

 

 

 

 

图1 不同角度入射超辐射散射实验，及理论模拟结果

在共振超辐射散射中研究了后向散射原子团的增强，高动量态相干转移的机制，以及物质波光栅的初始相位信息到光的相位的有效传递，凝聚体增益介质密度不均匀情况下，超辐射不同阶段两个模式之间的竞争机制。还研究了自发辐射对相邻格点间原子相干性破坏的机制，以及利用量子蒙特卡洛模拟自发辐射对相邻格点间原子相干性破坏的影响。

 

 

 

图2 双频率泵浦的共振超辐射散射

一维光晶格

相干散射测量方法将原子间相互作用这些弱效应通过相干放大可以巧妙的测量出来，反映了物质波光栅、散射光波光栅、激光驻波场之间的相互作用。这里物质波光栅起到了相位匹配和相干放大的作用，它提供了原子或者光子携带的信息在物质波和光波之间的相互传递。我们对光晶格超冷原子进行了以下量子特性的测量。首先，利用超辐射散射和相干共振布拉格散射探测光晶格中格点间原子关联和相变。随着光晶格阱深的变化，原子从超流态变到粒子数态。不同于通常原子自由下落后干涉对比度的测量，探测了超辐射散射光增益的变化；利用关联长度随着光晶格深度的突然改变测量了晶格格点内和格点 间原子的关联特性和相变；其次，测量了原子间弱相互作用对光晶格能带结构的修正，以及不同阱深下能带间隔的变化；其三，测量了原子空间密度分布的微小变化，它利用第一个脉冲建立物质波光栅，然后通过第二个脉冲反映出不同散射动量态的相干性。

 

 

 

图3经过物质波超辐射过程之后的BEC分布

 

 

 

 

 

 

 

 

高激发能带

通过理论设计光晶格脉冲，并采取复合脉冲的手段，对光晶格各个能带或叠加态进行快速高效制备，装载时间由传统绝热装载的几十毫秒缩短至几十微秒，装载时间缩短了三个量级，装载效率可以得到99.9%。

 

 

图4 通过光晶格脉冲序列将凝聚体装载到光晶格不同能带，或不同能带叠加态

在实验上实现了一维光晶格高激发能带的快速绝热装载。将BEC装载到了光晶格的D 能带，测量了激发能带原子的碰撞机制；实现了具有奇宇称的光晶格的 P 能带的制备，测量了其长时间动力学演化；利用对光晶格的多频率幅度调制从而控制不同能带的原子分布，实现了高动量原子分束器；将原子装载到 G 能带，完整演示了超冷原子在光晶格高激发能带的隧穿过程，直接观察到了原子在 F 带与 D 带之间完整的 Bloch 振荡与 Bloch-Zener 振荡。在通常的体系中，直接观察非常困难，而利用最优化量子操控的新方法观察到的振荡，可以持续 60ms，是原有最好结果 2ms的 30 倍；振荡范围为 200um也远大于超 Bloch 振荡 106um的结果。

 

 

图5 P-band原子的动力学震荡

 

 

图6（a）原子在F和D能带之间的Bloch Zener振荡；（c）原子在F带中的Bloch振荡；

（b）两种振荡的叠加；（d）扩展Bloch能带的示意图。

 

 

 

图7高阶布拉格散射

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三路120o行波光晶格

我们正在搭建的是由三路互相成120o的行波组成的光晶格，具体实验设置如图 5， 同时我们考虑在改变三路行波光场的偏振、相位、以及BEC的初始态来构造不同的晶格形状，图 6是三路光为右旋圆偏振光，没有相位差，BEC初始为态时光晶格的势能。

 

 

图 8 120o行波场光晶格实验设置

 

 

图9 光晶格势能

超晶格

超晶格即将两套不同频率的光晶格相互叠加，应用超晶格能够模拟很多固体物理中的晶格形状，同时可以通过将BEC装载的超晶格中研究量子少体问题，因此我们对于这样的晶格结构非常感兴趣。我们在理论上计算了几种不同的超晶格，其实验设置及晶格势能形状如图7与图8所示，在获得一套120o行波光晶格后，我们会在其基础上再加上一套光晶格来构建超晶格。

 

 

图 10  (a) 正方形超晶格的实验设置，其中蓝色虚线代表波长为532nm的激光，

红色代表波长为1064nm的激光 (b) 通过改变偏振、相位等参数

获得的不同形状的超晶格构型 (c) 晶格对称性随相位的改变。

 

 

 

 

图 11 两套不同偏振的光构成的超晶格，(a) 实验设置 (b) 晶格势能

(c)、(d) 晶格形状以及对称性随相位的改变。