光晶格激发能带超冷原子的相干操控

The ultracold atomic gases or Bose-Einstein Condensate(BEC) in a periodic optical lattice is not only an ideal platform for manipulating quantum manybody system, but also the foundation of the future high accuracy precision measurement. In contrast to most of the experimental researches nowadays concerning the ground band of atoms in an optical lattice, this project focus on the excited bloch bands of the ultracold atomic gases in an optical lattice. First of all, utilizing our coherent manipulation method, which comprises several standing-wave laser sequences, we can load the ultracold atoms from the harmonic traps rapidly and coherently onto arbitrary excited bands of one dimentional optical lattice. Regardless of the parity of excited bands, the ultracold atoms can be effectively loaded onto any excited state, and the loading time is shorter by three orders of magnitude. Secondly, not only can we realize various atom number distributions on the bloch bands, the phases of the wavefunctions of the atoms loaded on each band can also be controlled, generating all kinds of superposition states of excited bands. Furthermore, we will realize two dimensional optical lattice with triangle geometry, and study its characteristic in excited bands. Finally, exploring the effect of various factors on the negative effective mass of high-energy-band atoms will reveal its advantages in presicion measurement. Therefore, this project will lead to a deeper understanding and a better control of ultracold atoms on excited states.

周期性光晶格中的超冷原子或者玻色爱因斯坦凝聚，是对量子多体系统进行调控的理想平台，也是下一代高精度精密测量的基础。与目前对光晶格基带超冷原子的实验研究不同，本项目将集中针对光晶格激发能带的超冷原子进行操控。首先，利用提出的相干控制新方法，将谐振阱中超冷原子快速全部装载到一维光晶格的任意激发能带。这种方法有几个激光驻波脉冲序列组成，不管激发能带的宇称如何，都可以实现激发能带超冷原子的制备，且制备时间缩短了三个数量级。其次，不仅实现原子数在不同能带的不同比例装载，而且操控装载到不同能带波函数的相位，形成不同激发能带的叠加态，探讨其在信息存储上的优势。其三，实现三角型光晶格，研究这种情况下高激发能带原子的特性，实现新的量子态。最后，探讨各种因数对高激发能带中负有效质量的影响，将其利用到精密测量。总之，通过本项目，对超冷原子激发能带的性质有更深入的理解和认识，从而能很好的操控和应用。

本课题围绕光晶格中高激发能带超冷原子及其动力学的相干操控开展研究，完成了研究计划，实现了预期目标。 首先，实现了超冷原子到光晶格高激发能带的快速装载，在高保真度和高鲁棒性满足的同时，将原子装载到了不同维度的光晶格和不同的能带。 研究了不同激发路径之间的干涉效应和原子密度光栅。 其次，研究了奇宇称高激发能带原子的动力学演化，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。 其三，将超冷原子装载到偶宇称光晶格P能带，观察到了由于不同能带的相干叠加引起的短周期振荡和反映相邻格点之间随机的相对相位的长周期振荡。发现原子在“饼”的半径方向显示出强的相位相干性，但在晶格方向上则没有，意味着滑移相超流体在时域中被实验发现。 其四， 利用上面快速操控技术装载到不同的能带，同一准动量不同能带之间发生干涉，之后不同准动量的干涉结果叠加，实现了较窄间距的动量干涉条纹。进一步，利用光晶格的S和D能带，构建了捕获运动量子态的原子干涉仪。 物质波回波技术显著提高相干时间到一个数量级。 最后，构造了三角型、六角型等不同几何构型的光晶格，实现了不同空间构型内激发能带的装载。研究了三角构型光晶格中不同维度下超冷原子的相变。发表或者接受带有基金号标注的SCI论文21篇，其中Physical Review Letters、Communication Physics 和Applied Physics Letters、New Journal of Physics各1篇， Optics Express 2篇，Physical Review 系列 6篇，其它国外SCI期刊5篇，国内SCI期刊4篇。另外已经放在arXiv上正在审稿的SCI论文3篇。 通过这个项目，4名博士和3名硕士已经毕业。在国内外会议被邀请做报告20多次。