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儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部基于原子干涉測量超冷原子pK量級溫度的技術(shù)，解決了深度冷卻后磁場敏感態(tài)原子的溫度測量難題。
目前，在空間微重力環(huán)境下通過深度冷卻技術(shù)可以獲得pK量級溫度的超冷原子樣品。常用的飛行時間法在測量如此低的溫度時，所需自由飛行時間在秒量級。對于處于磁場敏感態(tài)的原子，即使是微弱的殘余非均勻磁場都會在長時間的膨脹過程中使原子團嚴重變形而無法獲得溫度信息，因此傳統(tǒng)的飛行時間法顯然不適用。
研究人員提出了基于原子干涉的雙駐波脈沖相干分束法用于超低溫測量。該方案只需測量兩個駐波光脈沖之后動量態(tài)的布居分布就可以標定溫度，測量時間在毫秒量級，因此可以忽略微弱非均勻磁場的影響。相關論文以“Characterizing ultra-narrow momentum of atoms by standing-wave light-pulse sequences”為題發(fā)表于Journal of the Optical Society of America B。
同時，研究人員利用空間超冷原子物理實驗柜的地面樣機進行了演示實驗。該系統(tǒng)光阱中的玻色-愛因斯坦凝聚體由于原子間相互作用與外勢平衡，動能等效溫度在1nK量級。駐波脈沖兩次作用時玻色-愛因斯坦凝聚體處于光阱中，然后再從阱中釋放自由飛行，測量中心零級動量部分的布居。實驗獲得的零級布居隨脈沖間距演化呈現(xiàn)衰減的振蕩，與理論預言一致，并且擬合獲得的動量寬度也與通過原子數(shù)目阱頻率等計算獲得的結(jié)果基本一致。同時也發(fā)現(xiàn)實驗測得的振蕩周期比用簡單理論計算的稍短，計入原子間相互作用的影響可以解釋這一現(xiàn)象。相關論文以“Determining the Momentum Width of a Trapped Bose-Einstein Condensate by One-Dimensional-Optical-Lattice Pulse Sequences”為題發(fā)表于Physical Review Applied。
此外，為了與無相互作用的理論比對，研究人員還進行了光學系統(tǒng)模擬實驗。用高斯光束模擬原子波包，以光束的發(fā)散模擬原子的動量分布也就是溫度效應，用聲光調(diào)制器中的超聲光柵模擬一維光晶格的駐波場，兩次通過聲光調(diào)制器后測量零級衍射光的占比。改變反射鏡到聲光調(diào)制器的距離，獲得的零級衍射光占比隨著距離變化的振蕩衰減曲線與理論預言較好的符合，從而展示了這種方法的有效性。針對不完美實驗條件下采集的數(shù)據(jù)發(fā)展出一套有效擬合方法，可以被移植到超冷原子溫度測量的數(shù)據(jù)處理中。相關論文以“Optical simulation of an ultra-sensitive thermometer based on atom interferometry”為題發(fā)表于Optics and Laser Technology。
這一系列研究從理論、地面冷原子實驗、光學模擬以及數(shù)據(jù)處理等各方面論證了原子干涉法測量pK量級超低溫的可行性，解決了對于磁場敏感態(tài)原子超低溫測量的難題，為空間冷原子實驗提供了新的實驗手段。
相關工作得到國家重點研發(fā)計劃以及中國載人航天工程空間應用系統(tǒng)項目的支持。
圖1 光阱中玻色-愛因斯坦凝聚體的雙駐波脈沖分束實驗。(a)實驗示意圖；(b)實驗時序；(c)(d)原子吸收像；(e)實驗結(jié)果與擬合。
圖2 光學方法模擬雙駐波脈沖分束測超冷原子溫度。(a)實驗裝置示意圖。(b)實驗結(jié)果，方形黑點是實驗中測得的零級光占比，紅色曲線是根據(jù)理論公式進行的擬合。
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