精密测量院研制基于超冷原子气体涡旋物质波干涉仪

2022-08-03 17:24:32  信息编号：K223081  浏览次数：529

近期，精密测量院江开军研究团队研发了基于超冷原子气体的涡旋物质波干涉仪，并观察到两自旋分量上干涉条纹的相位锁定现象。实现涡旋物质波干涉的前提是在超冷原子气体中可控的制备和操控涡旋态。近年来，携带角动量的拉盖尔-高斯光与冷原子相互作用研究的进展，为建立涡旋物质波干涉仪奠定了基础。

超冷原子是利用激光制冷等冷却手段将原子制备到温度极低(接近绝对零度，0K)下的状态。在这样的低温状态下，原子表现出明显的量子力学特性。冷原子被用于研究玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)，超流，量子磁性，多体系统，BCS机制，BCS-BEC连续过渡等，对理解量子相变有重要意义。冷原子也被用于研究人工合成规范场，使得人们可以在实验室中模拟规范场，从而在凝聚态体系中辅助验证粒子物理的理论(而不需要巨大的加速器)。冷原子可以被精确的操控，可以用于研究量子信息学，冷原子系统是实现量子计算的众多方案中非常有前景的之一。

物质波，又称德布罗意波，即函数为概率波，它的模方指空间中某点某时刻可能出现的几率密度，其中概率密度的大小受波动规律的支配。量子力学认为微观粒子没有确定的位置，在不测量时，它同时出现在任何位置，即出现在这里也出现在那里，一旦测量，就得到它的其中一个本征值即观测到的位置。对其它可观测量亦呈现出一种分布，观测时得到其中一个本征值，物质波于宏观尺度下表现为对几率波函数的期望值，不确定性失效可忽略不计。

光学涡旋是一类围绕光轴具有螺旋相位项的圆柱光学模式。近年来，光学涡旋因其在光学和光子学的许多领域具有重要潜在应用而引起了广泛关注，其可能应用范围包括光通信，光信息处理，成像传感和量子信息等。与基于自由空间光学的方法相比，集成光子学的发展为操纵光学涡旋提供了更为有效的方法。

相位锁定对于约瑟夫森结阵列的应用具有重要意义,采用数值仿真的方法研究了热噪声对约瑟夫森结阵列相位锁定的影响。采用电阻电容并联约瑟夫森结模型,利用公共并联电阻实现阵列的相位锁定,取不同的热噪声水平研究系统存在相位锁定的参数范围。结果包括不同热噪声情况下,约瑟夫森结临界电流的不一致性、McCumber参数对实现相位锁定的参数范围的影响,得到了热噪声对相位锁定的影响规律。

锁相是使被控振荡器的相位受标准信号或外来信号控制的一种技术，用来实现与外来信号相位同步，或跟踪外来信号的频率或相位。锁相是相位锁定的简称，其含义是表示两个信号的之间的相位同步。

锁相环技术(PLL)是实现相位自动控制的一门新技术。锁相即相位锁定自动相位 控制(APC)利用相位自动调节的方法实现 两个信号的相位同步。锁相环就是完成这 一任务的相位负反馈控制系统。锁相是促进信号之间的相位同步，从而促进锁相环的运行。

De Bellescize于1932年提出同步检波理 论首次公开发表了对锁相环的描述实现 同步检波。到1940年锁相环第一次用于电 视接收机扫描同步装置中改善了电视图 像质量。随后由杰斐和里希廷利用锁相环 路作为导 弹信标的跟踪滤波器获得成功 第一次发表了包含有噪声效应的锁相环路 线性理论分析的文章同时解决了锁相环 路最佳化设计的问题。随着集成电路技术的发展逐渐出现了集成的环路部件、通用 单片集成锁相环及多种专用集成锁相环 PLL变成一个成本低、使用简便的多功能组 件。锁相原理的应用已经深入到通 信、雷达、原子物理学流体力学等。由于锁相环路结构简单性能优越等 特点广泛应用于无线电通信、数字电 视、广播等众多领域。

干涉仪是很广泛的一类实验技术的总称， 其思想在于利用波的叠加性来获取波的相位信息，从而获得实验所关心的物理量。干涉仪并不仅仅局限于光干涉仪。干涉仪在天文学，光学，工程测量， 海洋学，地震学，波谱分析，量子物理实验，遥感，雷达等等精密测量领域都有广泛应用。

干涉仪可以分为单路径干涉仪和多路径干涉仪两类， 其差异在于干涉的波是否通过同一路径传播。 例如迈克尔逊干涉仪就是常见的多路径干涉仪， 而Sagnac干涉仪， 等倾干涉和等厚干涉等即为单路径干涉仪。

干涉仪可以分成波前分解和幅度分解两类， 其差异在于是否利用波前上不同位置的子波源形成干涉。 例如杨氏双缝干涉即属于波前分解干涉仪; 而等倾干涉和等厚干涉即为幅度分解干涉仪。