Manipulation of condensate by laser

Report
第五届全国冷原子物理和量子信息 青年学者学术讨论会—兰州
激光对凝聚体的量子操控
周小计
School of Electronic Engineering and Computer Science
Peking University, Beijing
北京大学信息科学技术学院
背景介绍:相干物质波与 精密测量
原子陀螺仪
原子干涉仪
未来的精密测量技术
2011年主要工作:
Momentum manipulation
Pulse, standing wave, Optical Lattice
1
不同角度入射的单行波脉冲--外态操控
 实现了双频率激光相对相位对原子动量操控的新方法。
Xiaoji Zhou* , F. Yang, X.G. Yue, T. Vogt, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 81, 013615 (2010).
Zhen Fang, Rui Guo, Xiaoji Zhou*, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 82, 015601 (2010).
L. Deng, E.W. Hagley, Qiang Cao, Xiaorui Wang, Xinyu Luo, Ruquan Wang, M. G. L. Payne,
Fan Yang, Xiaoji Zhou, Xuzong Chen, and Mingsheng Zhan, Phys. Rev. Lett. 105, 220404 (2010).
Xiaoji Zhou*, Phys. Rev. A 80, 023818 (2009);
Xiaoji Zhou* , Jiageng Fu, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 80, 063608 (2009);
F. Yang, Xiaoji Zhou *, J. T. Li, Y. K. Chen, L. Xia, X. Z. Chen, Phys. Rev. A 78, 043611 (2008);
Xu Xu, Xiaoji Zhou* and Xuzong Chen, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 41 (2008) 165302;
 Juntao Li, Xiaoji Zhou*, Fan Yang, Xuzong Chen, Phys. Lett. A 372 (2008) 4750.
不同角度超辐射散射的动量谱
泵浦光沿任意角度
asymmetrically populated
scattering modes
Bo Lu, Xiaoji Zhou*, T. Vogt, Zhen Fang, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83, 033620 (2011) .
|e+|
|e−|
End-fire modes的包络函数|e+|和|e−|在z轴的分布和泵浦激光入射角θ的关系
(0,0)
(1,1)
(1,-1)
(-1,1)
(-1,-1)
(2,-2)
(2,0)
不同散射模式的原子数和θ的关系
(1,1)
(1,-1)
(2,-2)
(2,0)
(2,2)
不同散射模式的动量的模和θ的关系
泵浦激光为长脉冲低功率时激发的超辐射
Δ=1.45 GHz,脉冲长度为T = 200 μs,泵浦激光功率密度为I = 15 mW/cm2
24°
34°
60°
泵浦激光为长脉冲高功率时激发的超辐射
Δ=1.45 GHz,脉冲长度为T = 200 μs,泵浦激光功率密度为I = 40 mW/cm2
34°
60°
泵浦激光为短脉冲高功率时激发的超辐射
Δ=1.45 GHz,脉冲长度为T = 30 μs,泵浦激光功率密度为I = 130
mW/cm2
24°
34°
60°
非对称分布以及不同角度入射,提供了测量原子机制的角增益谱方法
2 多序列驻波脉冲对凝聚体不同动量态的设计和实现
单驻脉冲情况
脉冲散射的投影理论
pˆ 2
ˆ
H0 
,
2M
两脉冲情况
 (t   )   cl( n )  dq 0 (q) c0( n ) (q)e
 (t  0)   dp 0 ( p ) p
l
(2lk  q)
n
  cl( n )  dq 0 (q) c0( n ) (q)e
l
pˆ
Hˆ 
 U 0 cos 2 kx;
2m
 iEn ,q /
 iEn ,q /
ei
(2 lk  q ) 2 ( t  )/ m
(2lk  q)
n
 (t    t f )   cl( n )  dq 0 (q ) c0( n ) (q )e  iEn ( q ) /
 (t  0)   dq 0 (q ) q
  dq 0 (q ) n, q n, q q
n
  dq 0 (q ) c ( n ) (q ) n, q
l
 c
(n)
l
l
 c
(n)
l
l
 dq
 dq
0
(2lk  q )
n
( q )  c ( q )e
(n)
0
 iEn ( q ) /
e
 i (2 lk  q )2 t f / m
(2lk  q )
n
0
( q )  c ( q )e
(n)
0
 iEn ( q ) /
e
 i (2 lk  q )2 t f / m
n
c
( n ')
l
n ', q
n'
n
(t  0)   dq 0 (q) c (q) n, q e
(n)
0
iEn ( q )t /
 (t  2  t f )   cl( n )  dq 0 (q) c0( n ) (q)e iEn ( q ) /
l
n
 (t   )   dq 0 (q) c (q) n, q e
(n)
0
 iEn ( q ) /
e
 i (2 lk  q )2 t f / m
n
c
(n)
l
l
n
(2lk  q)
l
  cl( n )  dq 0 (q) c0( n ) (q)eiEn ( q ) /
( n ')  iEn ' ( q ) /
c
n ', q
l e
n'
n
  dq 0 (q) c0( n ) (q)eiEn ( q ) /
n
(2lk  q)

  dqc
n'
l'
(q)cl( n ') (q)cl( n ) (q)c0( n ) (q) 0 (q)
n , n ',l ,l '
e
 iEn ( q ) /
e
 i (2lk  q )2 t f / m  iEn ' ( q ) /
e
(2l ' k  q)
Raman-Nath 理论
Equal–area pulses
one–half of the Talbot time,
all non–zero momentum states are zero
应用一:A coherent control for experimentally designing specific momentum states
Bragg scattering,Raman-Nath
regime,channeling regime
Spatially optical lattice, a band structure of the
energy spectrum in the atom-lattice system
Wei Xiong, X. G. Yue, Z. K. Wang, Xinxing Liu, Xiaoji Zhou *, Xuzong Chen , PRA (Reviewing)
应用二:光晶格中的BEC的相干操控
光晶格中的BEC的相干性
• 格点间原子的隧穿
• 区别与常温晶体中的电子
• 相干性的丧失与相变
BEC的相干操控与光晶格中BEC的相干操控
无晶格时
有晶格时
哈密顿量
哈密顿量
2
ˆ
H 
2m
2
本征态
pˆ  p0
相干操控
pˆ  p1  pˆ  p2
Hˆ  
2
 V0  cos  2k L  x 
2m
2
本征态
n0 , q0
相干操控
n1 , q1  n2 , q2

实现光晶格中凝聚体的相变,发现快速加载的新方法。
BEC在光晶格中
可逆装载的实验
光晶格中原子从超流态
到粒子数压缩态的转变
快速加载到光晶格的新方法:装载时间的极大缩短
绝热加载
V0=0Er
V0=2Er
V0=5Er
V0=10Er
一维光晶格的非绝热加载
非绝热加载光晶格的基本设想
V0=0Er
V0=10Er
V0=0Er
V0=10Er
Xinxing Liu, Xiaoji Zhou*, Wei Xiong, Thibault Vogt, and Xuzong Chen, Phys. Rev. A
83,063402 (2011)
非绝热加载的时序设计结果
加载方
式
波形
实验结果
加载时间 激发率
绝热
~40ms
<10^(-5)
非绝热
~40us
<10^(-3)
Results demonstrate this technique of coherent control feasibility and effectiveness
3 光晶格中凝聚体特性的研究
852nm Lattice trap,
780nm transition
X. X. Liu, Xiaoji Zhou*, W. Zhang, T. Vogt, Bo Lu, X.G. Yue, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83,
063604 (2011).
Bo Lu, T. Vogt, X. Liu, Xu Xu, Xiaoji Zhou*, Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83, 051608(R) (2011)
T. Vogt, Bo Lu, X. Liu, Xu Xu, Xiaoji Zhou*, and Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83 053603 (2011)
原子在每个晶格里呈片状分布时,图示
三条光线都必须满足相干条件,所以点
划线与虚线的光程相同,因而散射光方
向必须满足:
方法介绍: Bragg光散射
   
原子在每个晶格里呈点状分布时,不需
要满足该条件,散射光方向角与入射光
方向角不需要互补,只要下图中红线部
分为整数个波长即可。当入射角不是
24度时,依然有散射光存在。
 ks
kb

  24


2 kL

  34
Xiaoji Zhou*, Xu Xu, Lan Yin, W. M. Liu and Xuzong Chen, Optical Express 18, 15664 (2010).
Xu Xu, Xiaoji Zhou *, and Xuzong Chen, Phys. Rev. A 79, 033605 (2009)
应用一:光晶格中散射的模式竞争
24°
OL
SR
12°
24°
Competition between superradiance and matter wave amplification
V=14.4 Er, 光晶格
V=0Er, BEC

SR0,=12〫
SRB, V=14.4 Er

SRB 和 SR0 模式竞争, V=2.7 Er
competition between superradiant scattering and matter wave amplification
which will be dominated while the optical potential depth increases
(NSRB-NSR0)/((NSRB+NSR0)
物质波的波函数可以写为
SRB (-2kL)
+2kL
SR0
Lattice depth (ER)
T. Vogt, Bo Lu, X. Liu, Xu Xu, Xiaoji Zhou*, and Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83 053603 (2011)
应用二:利用合作散射对光晶格中原子关联的测量
2 k
0
 2k
L

y
z
S
x
2
n(r,t )  0 (r ) (1  4 cos(2kL x) cos(0t ))
Bo Lu, T. Vogt, X. Liu, Xu Xu, Xiaoji Zhou*, Xuzong Chen Phys. Rev. A 83, 051608(R) (2011)
2 k
0
2 k
2 k
0
2 k
2 k
t0
t  48 s
2 k
2 k
t  96 s
2 k
2 k
0
2 k
Matter wave amplification VS delay time
Power=4 mW
pulse= 5 s
Red Detuning = 1.3 GHz
V= 11.44 Er
0 s
35 s
5 s
40 s
10 s
50 s
15 s
60 s
20 s
25 s
30 s
70 s
80 s
the correlation between wave functions of different on site of optical lattice
Bo Lu, T. Vogt, X. Liu, Xu Xu, Xiaoji Zhou*, Xuzong Chen Phys. Rev. A 83, 051608(R) (2011)
应用三:布拉格散射对光晶格中原子间相互作用的测量
激光的‘光栅’对原子
物质波的Bragg散射
原子的‘光栅’对入射
光波的Bragg散射
要求原子具有相干性
不要求原子具有相干性
散射建立时间:大于1ms
散射建立时间:5us
Bragg光散射对原子的能带激发
原子间相互作用对结果的影响
The energy gap of Bloch bands in one dimensional optical lattice
Xinxing Liu, Xiaoji Zhou*, Wei Zhang Thibault Vogt, Xuguang Yue, Bo Lu and
Xuzong Chen, Phys. Rev. A 83,063604 (2011)
总 结
光驻波和物质波光栅相互作用: 凝聚体的操控
方法一: 光驻波脉冲散射
物质波干涉;光晶格的快速装载;动量态的压缩
方法二:Bragg光散射
超辐射和物质波放大的竞争;原子关联特性的测量;
相互作用导致的能带结构变化
忠心感谢很多同行对我的帮助和支持。
新混合系统、玻色系统
谢谢大家!

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