射频原子波导的实验研究

射频场和静磁场结合能够形成一种新颖的原子波导。这种动静结合的综合势场提供了比纯粹的静磁势阱多得多的优越性，大大提高了操纵原子的自由度。因此，它关联于非常广泛的冷原子系统，比如导引波的原子激射器、一维原子气体和原子干涉仪，在原子波光学中展示出广阔的发展空间。其原理是：有空间梯度的射频场混合了在匀强静磁场中的磁子能级。在静磁场和射频场的共同作用下，原子的本征态是缀饰态。这些缀饰态的本征能级随空间位置的变化给出了绝热的囚禁势。通过调整射频场的振幅和频率，可以对囚禁原子的内态进行选择，也可以避免静磁导引中固有的Majorana跃迁所引起的原子损失。与光阱相比，这种混合的射频阱也避免了在极深光势阱中的自发辐射。该方案可以导引极低温度的冷原子甚至对凝聚体进行相干导引。在为此搭建的实验系统上，已经初步观察到射频阱导引的原子团。更深入的物理分析和相关的技术难点，希望在本项目的资助下完善和完成。

本项目旨在实验上实现一种新型原子波导，它是由射频场和静磁场组成的。与纯粹的静磁势阱相比，混合势阱提高了操纵原子的自由度，在原子波光学中展示出广阔的应用前景，比如原子激射器、基于物质波导的原子干涉仪等。混合势场约束原子的原理是，有空间梯度的射频场混合了在静磁场中的磁子能级，在静磁场和射频场的联合作用下，原子的本征态是缀饰态。缀饰态能级随空间位置的变化给出了绝热的囚禁势。与光阱相比，混合阱也避免了在光势阱中的自发辐射。. 我们按原计划实现了预期目标。具有原创性的主要实验结果如下：. 1、在国际上首次开展了冷原子云在磁阱中的非绝热输运，实现了原子云的快速转移，既可控制转移之后的冷原子云的末速度，又能够实现在转移过程中原子云的冷却。原子云的快速非绝热输运是指，在很短的时间间隔——在阱周期量级，通过由两对反亥姆霍兹线圈构成的三维磁势阱把原子从一个区域转移到另一个区域。原子云的末速度并不是阱的速度，它可以与之反向、同向，甚至趋于零。比如，在势阱的速度为分别为18cm/s和28cm/s时，原子云的末速度分别为0.6∓2.7cm/s和58.6∓1.5cm/s。恰当的转移速度还能够踢出热原子，因此可避免转移后的原子温度升高。. 2、在国际上首次实现了原子云的射频导引，即利用射频场的空间梯度形成二维的横向约束，另一个维度没有约束以实现原子云在这个维度上的自由运动。该导引结构由一对可产生均匀磁场的亥姆霍兹线圈和与其垂直的四根通有射频电流的直导线组成。. 3、利用射频场和非均匀静磁场形成的混合阱，在国际上首次实现了强场趋向态原子的囚禁。混合阱由通有直流电的单个线圈和与其垂直的四根通有射频电流的直导线组成。单个线圈形成非均匀静磁场，因此，和传统的静磁阱囚禁弱场趋向态不同，混合阱能实现对强场趋向态原子的三维囚禁。. 在这个实验平台上，我们还实现了原子透镜，观察到原子云的聚束效应。. 国际上利用高频场缀饰势操纵冷原子的进展非常迅速。比如利用一个射频和两个微波总计三个高频势场在原子芯片上实施对玻色——爱因斯坦凝聚体(BEC)的缀饰操作，形成纠缠态，可用于新型超高精度的原子钟研究。另外，采用交流势场调制可平滑导引势的皱褶，提高物质波的相干时间，这对于制造高精度原子干涉仪很有意义。