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超强激光科学卓越创新简报

(第四百八十四期)

2024年3月18日

上海光机所在原子超低温测量技术上取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部基于原子干涉测量超冷原子pK量级温度的技术，解决了深度冷却后磁场敏感态原子的温度测量难题。

目前，在空间微重力环境下通过深度冷却技术可以获得pK量级温度的超冷原子样品。常用的飞行时间法在测量如此低的温度时，所需自由飞行时间在秒量级。对于处于磁场敏感态的原子，即使是微弱的残余非均匀磁场都会在长时间的膨胀过程中使原子团严重变形而无法获得温度信息，因此传统的飞行时间法显然不适用。

研究人员提出了基于原子干涉的双驻波脉冲相干分束法用于超低温测量。该方案只需测量两个驻波光脉冲之后动量态的布居分布就可以标定温度，测量时间在毫秒量级，因此可以忽略微弱非均匀磁场的影响。相关论文以“Characterizing ultra-narrow momentum of atoms by standing-wave light-pulse sequences”为题发表于Journal of the Optical Society of America B。

同时，研究人员利用空间超冷原子物理实验柜的地面样机进行了演示实验。该系统光阱中的玻色-爱因斯坦凝聚体由于原子间相互作用与外势平衡，动能等效温度在1nK量级。驻波脉冲两次作用时玻色-爱因斯坦凝聚体处于光阱中，然后再从阱中释放自由飞行，测量中心零级动量部分的布居。实验获得的零级布居随脉冲间距演化呈现衰减的振荡，与理论预言一致，并且拟合获得的动量宽度也与通过原子数目阱频率等计算获得的结果基本一致。同时也发现实验测得的振荡周期比用简单理论计算的稍短，计入原子间相互作用的影响可以解释这一现象。相关论文以“Determining the Momentum Width of a Trapped Bose-Einstein Condensate by One-Dimensional-Optical-Lattice Pulse Sequences”为题发表于Physical Review Applied。

此外，为了与无相互作用的理论比对，研究人员还进行了光学系统模拟实验。用高斯光束模拟原子波包，以光束的发散模拟原子的动量分布也就是温度效应，用声光调制器中的超声光栅模拟一维光晶格的驻波场，两次通过声光调制器后测量零级衍射光的占比。改变反射镜到声光调制器的距离，获得的零级衍射光占比随着距离变化的振荡衰减曲线与理论预言较好的符合，从而展示了这种方法的有效性。针对不完美实验条件下采集的数据发展出一套有效拟合方法，可以被移植到超冷原子温度测量的数据处理中。相关论文以“Optical simulation of an ultra-sensitive thermometer based on atom interferometry”为题发表于Optics and Laser Technology。

这一系列研究从理论、地面冷原子实验、光学模拟以及数据处理等各方面论证了原子干涉法测量pK量级超低温的可行性，解决了对于磁场敏感态原子超低温测量的难题，为空间冷原子实验提供了新的实验手段。

相关工作得到国家重点研发计划以及中国载人航天工程空间应用系统项目的支持。

原文链接

图1 光阱中玻色-爱因斯坦凝聚体的双驻波脉冲分束实验。(a)实验示意图；(b)实验时序；(c)(d)原子吸收像；(e)实验结果与拟合。

图2 光学方法模拟双驻波脉冲分束测超冷原子温度。(a)实验装置示意图。(b)实验结果，方形黑点是实验中测得的零级光占比，红色曲线是根据理论公式进行的拟合。

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