中科院量子光学重点实验室

上海光机所芯片玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)研究取得重大进展

更新时间:2020-07-03 【打印】 【关闭

  

上海光机所知识创新工程工作简报

 

(第二二二期)

2008年12月2日 

 

上海光机所芯片玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)研究取得重大进展

 

   上海光机所量子光学重点实验室,王育竹院士领衔的“973”冷原子系综量子信息存储技术--原子芯片研究小组于11月26日实现了我国第一个原子芯片上的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。实现芯片BEC是“973”项目的主要指标,也是冷原子研究和量子信息存储技术研究的重大标志性进展。国际上已有多个国家拥有了芯片BEC,但在亚洲我们是第二个芯片BEC。国内尚无实现芯片BEC的报道,为国内首例。随着科学技术的发展,超冷原子介质在超高精度原子频率标准、原子干涉仪、量子信息存储和信息处理等方面获得了重要的应用。但是获得超冷原子气体和BEC凝聚体的实验装置过于复杂和庞大,而且价格十分昂贵,在一定程度上阻碍了应用技术的发展。因此,研制小型化的冷原子实验装置(即原子芯片实验装置)成为国际上冷原子应用技术研究的重要发展方向。原子芯片是利用成熟的半导体制作工艺和MEMS技术,将磁场系统和光学系统集成到一块硅基底芯片上。利用表面电流产生的近表面梯度磁场形成芯片原子磁阱,进而实现集成化的冷原子实验装置。芯片磁阱对原子的束缚非常紧,进行蒸发冷却时可以快速实现BEC相变。原子芯片不仅提高了冷原子装置的稳定性、可靠性和便携性,而且能够实现一些宏观冷原子装置所不能实现的功能。

 

   2003年在国家自然科学基金委和科技部的支持下成立了原子芯片组,承担自然科学基金重点课题“超冷原子和BEC物理性质研究”和“973”冷原子系综量子信息存储研究。该小组是由四位博士生和硕士生组成的青年研究组,他们一切从零开始,建立了我国第一套集光、机、电为一体的原子芯片实验装置,包括:超高真空系统、光学系统、激光稳频系统、外磁场系统、高分辩超冷原子成像系统和计算机程序控制系统等等。提出和设计了具有创新学术思想的H型静磁阱芯片和高频势阱芯片。与浙江大学物理系光学所合作,利用半导体微加工技术和我所的镀膜技术,成功地研制出国内第一块静磁阱原子芯片和高频势阱芯片。我们利用芯片曾进行了激光冷却气体原子、芯片表面蒸发冷却气体原子、磁光阱囚禁、原子波导和超冷原子团分裂等研究等。在此基础上开始了芯片BEC研究。实现BEC相变对实验条件的要求极为苛刻,我们优化了各个部件的设计和各个实验环节,并利用高频蒸发冷却技术,使超冷原子气体的温度冷却到300纳K,实现了BEC相变。凝聚体的原子数为3000个,与国际同类实验相同。右图给出了BEC相变的证据:当凝聚体从磁阱中下落时,在自由膨胀的过程中凝聚体的纵横比旋转900,这是相变的判据。

 

   上海光机所量子光学重点实验室继实现国内首个磁阱BEC后,又实现了首个芯片BEC,取得了BEC研究的又一重大进展。BEC的实现为量子信息存储、量子信息“复印”和量子路由器研究打下基础,为BEC的更广泛的应用打开了大门。

 

 

(量子光学重点实验室供稿)