近日，精密測(cè)量院江開(kāi)軍研究團(tuán)隊(duì)研制出基于超冷原子氣體的渦旋物質(zhì)波干涉儀，并觀察到兩自旋分量上干涉條紋的相位鎖定現(xiàn)象，相關(guān)研究成果 6月30日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《npj Quantum Information》上。
　　干涉是經(jīng)典波動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)中的基本現(xiàn)象，以此為基礎(chǔ)的干涉儀可以通過(guò)測(cè)量不同路徑或通道間的相位移動(dòng)對(duì)物理量進(jìn)行精確測(cè)量。超冷原子氣體具有組分純凈、相干性好且內(nèi)外態(tài)精確可控的特點(diǎn)，基于該體系的物質(zhì)波干涉儀近年來(lái)成為精密測(cè)量和基礎(chǔ)物理研究的重要工具。目前在超冷原子氣體中實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)波干涉主要是通過(guò)操控物質(zhì)波的平動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)分束，觀測(cè)具有不同線動(dòng)量的物質(zhì)波干涉條紋進(jìn)行相位測(cè)量。而另一方面，由角動(dòng)量表征的轉(zhuǎn)動(dòng)是體系另一個(gè)重要自由度，并且超冷量子氣體中的角動(dòng)量與體系的渦旋、超流等量子現(xiàn)象具有密切的聯(lián)系。在超冷原子氣體中可以基于不同的角動(dòng)量態(tài)實(shí)現(xiàn)一類新型的渦旋物質(zhì)波干涉，有望用于測(cè)量體系的外部磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、粒子間相互作用和幾何相位等物理量。實(shí)現(xiàn)渦旋物質(zhì)波干涉的前提是在超冷原子氣體中可控的制備和操控渦旋態(tài)。近年來(lái)攜帶角動(dòng)量的拉蓋爾-高斯光與冷原子相互作用研究的進(jìn)展，為建立渦旋物質(zhì)波干涉儀奠定了基礎(chǔ)。
　　研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)超冷原子氣體的渦旋光場(chǎng)調(diào)控開(kāi)展了研究，掌握了利用渦旋光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)雙光子拉曼躍遷實(shí)現(xiàn)超冷原子渦旋態(tài)的制備、操控與測(cè)量方法，測(cè)量了自旋-角動(dòng)量耦合超冷原子氣體的量子相變[Physical Review Letters 122, 110402 (2019)]。
　　

　　渦旋物質(zhì)波干涉儀的實(shí)驗(yàn)構(gòu)型

　　在前期工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用偏置磁場(chǎng)在銣87原子F=1超精細(xì)能級(jí)的三個(gè)磁子能級(jí)間產(chǎn)生較大的二階塞曼頻移。團(tuán)隊(duì)利用一對(duì)具有不同角動(dòng)量的拉曼光束誘導(dǎo)雙光子躍遷，獲得干涉儀的第一個(gè)分束器，干涉儀的兩臂具有不同的自旋和角動(dòng)量（渦旋態(tài)）；隨后利用射頻脈沖作為第二個(gè)分束器，在兩個(gè)自旋態(tài)（對(duì)應(yīng)分束器的兩個(gè)輸出端口）上都實(shí)現(xiàn)渦旋物質(zhì)波的干涉。通過(guò)選擇合適的拉曼光和射頻脈沖的失諧量，確保原子只布居在兩個(gè)磁子能級(jí)，產(chǎn)生無(wú)損耗的分束器。不同于線動(dòng)量干涉產(chǎn)生的線向干涉條紋，實(shí)驗(yàn)上觀察到角向干涉條紋。通過(guò)對(duì)干涉圖樣的分析，發(fā)現(xiàn)兩自旋態(tài)上的干條紋具有反相位關(guān)系（π 相位差），該相位關(guān)系不受兩渦旋態(tài)的角動(dòng)量差、拉曼光的組成和超冷原子自由膨脹時(shí)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響。提出了利用渦旋物質(zhì)波干涉儀測(cè)量磁場(chǎng)的方案，并對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度進(jìn)行了評(píng)估，指出該方案可以測(cè)量有限大小的磁場(chǎng)，并且測(cè)量靈敏度不受原子數(shù)波動(dòng)的影響。該工作為構(gòu)建基于渦旋物質(zhì)波干涉的新型量子傳感器提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　兩自旋態(tài)干涉條紋相位關(guān)系的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

　　相關(guān)研究成果以“相位鎖定的渦旋物質(zhì)波干涉儀(Phase-locking matter-wave interferometer of vortex states)”為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《npj Quantum Information》上。精密測(cè)量院博士生孔令冉為論文第一作者，特別研究助理高天佑和研究員江開(kāi)軍為通訊作者。

　　該工作獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院國(guó)際團(tuán)隊(duì)以及湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目等的資助。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-022-00585-5