获得pK温度铷原子量子气体的实验与理论研究

Exploring the way to cool rubidium gas from nanokelvin to picokelvin is a frontier of the research of cold atom. China is planning to launch a spapce station on 2020, in which a cold atom platefrom will be constructed. The project is aiming to cool rubidium gas from nanokelvin to picokelvin. The theory shows that the tnasition temperature is related with trap frequency, the critical temeprature will become lower while the tarp frequency is smaller, nevertherless, the evaporative cooling time will be longer. The project is to explore the new way to cool the Rubidium gas to picokelvin with fast speed. Two methods are proposed as following: (1) two step optcal trap cooling (2) Delta Kick cooling.

探索将现有的铷原子气体从几十纳开温度继续冷却到几十皮开温度量级是当前冷原子物理的前沿课题。我国计划在2020年建立空间站，并在空间站建立超冷原子物理平台，其基本目标是利用空间站微重力的条件，将铷原子气体的温度冷却到皮开尔文（10-12K）量级。但是理论告诉我们，量子气体的转变温度与束缚阱的频率有关，阱的频率越小，量子气体的转变温度可以越低，但是需要获得低温的时间需要越长。因此探索如何在频率小的浅束缚阱中较快速地冷却原子，获得皮开量级的温度是十分有意义的。我们在本项目中提出两种方法快速蒸发铷原子获得皮开温度的方法，即利用磁场悬浮抵消重力场加：(1) 两套光阱蒸发冷却；或(2)脉冲冲击冷却（Delta Kick cooling）,以地面模拟空间站条件下获得皮开量级温度的方法。

经过三年的理论与实验研究，我们已经顺利完成基金申请书的计划。首先我们在国际上提出了两步交叉光束（STCBC）蒸发冷却新方法，解决了在光阱频率变低时碰撞速率变慢蒸发冷却时间过长的困难，利用全光阱可以实现快速冷却获得皮开温度，此方法将成为我国空间站2022年超冷原子平台在微重力条件下冷却原子的标准方法。在实验上我们通过磁场悬浮的方法抵消重力，验证了冷却温度与光阱频率成正比的关系，以及获得了1纳开（1nK）左右冷却温度。比通常铷原子气体50纳开的最低温度下降了一个数量级。在理论上通过数值模拟的方法比较了脉冲冲击冷却（Delta Kick cooling，DKC）的最终冷却温度与我们提出了两步交叉光束（STCBC）蒸发冷却的冷却温度，得出了STCBC比DKC方法低一个数量级的结论。另外，还计算了激光光强抖动、重力加速度等因素对冷却极限温度的影响，为我国空间站超冷原子平台的设计提供了依据。.项目执行期间发表相关论文20余篇。