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Acta Sinica Quantum Optica

集成2D MOT式横向冷却的小型化塞曼减速装置

王德众 De-zhong WANG, 刘晓勇 Xiao-yong LIU, 李杰 Jie LI, 贾志鹏 Zhi-peng JIA, 张雨辰 Yu-chen Zhang, DAI Hanning

Published Jan 1, 2024• 0 citations
Publisher

Abstract

在锶原子光钟系统中,从原子炉喷出的锶原子气体需要经过塞曼减速器进行预冷却,由于径向速度较大的原子会脱离塞曼减速光作用区域,因此还需要对原子进行横向冷却。为实现塞曼减速器和横向冷却装置的小型化、集成化,并降低系统功耗,设计了总长度为95 mm的永磁体阵列塞曼减速器,可在67 mm的减速区域内将轴向速度260 m/s的原子减速至50 m/s,由40个小磁体固定在支架上构成减速磁场。横向冷却基于二维磁光阱原理,径向梯度磁场由塞曼减速器提供,位于轴向磁场零点处,σ+-σ-的光场通过集成到塞曼减速器内的折叠光学实现。根据原子束流轴向速度分布的测量结果,对集成横向冷却的塞曼减速装置进行了性能评估:从410 ℃的原子炉喷出的高温锶原子气体,速度在50 m/s以下的低速原子占比为0.5%,经过塞曼减速光减速后,低速原子比例提高到2.4%,横向冷却可将低速原子比例进一步提高到4.8%。在560 ms的装载时间内,一级冷却阶段俘获了8.0×105的87Sr原子,为实现高性能的小型化锶原子光钟提供了参考。

DOI
10.3788/jqo20243004.0602

Related papers

原子磁力仪的研究进展与发展趋势

宗昕冉 Zong Xinran, 陈海军 Chen Haijun

原子磁力仪作为一种用于精确测量磁场的仪器,在基础物理、地球科学、生物医学等多个领域发挥着重要作用。针对原子磁力仪的技术发展进行了全面综述,包括主要分类、基本特征,并重点介绍了碱金属光泵浦磁力仪、相干布居囚禁原子磁力仪、无自旋交换弛豫原子磁力仪,以及非线性磁光旋转原子磁力仪等仪器的研究现状与发展趋势。首先介绍了基于经典物理原理和量子效应原理的磁力仪分类;然后详细讨论了4种量子效应原子磁力仪的工作原理、灵敏度、动态范围、带宽等关键性能指标,以及它们在不同应用场景下的优势和挑战;最后,探讨了这些磁力仪技术的未来发展方向,包括微型化、集成化、矢量磁场测量能力的提升,以及在生物医学成像、地球物理勘探等领域的潜在应用。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•0 citations

利用原子系综中光存储读出信号对环境磁场补偿的方法研究

刘超 Chao LIU, 李雅 Ya LI, 刘海龙 Hai-long LIU +4 more

在光与原子纠缠量子界面的建立过程中,环境磁场带来的干扰不可忽视,因此需要对环境磁场进行严格补偿。在多能级结构的原子系综中,通过自发拉曼过程会产生多个原子自旋波,在外界磁场的干扰下,这些自旋波的读出效率会随着存储时间发生振荡。通过对环境磁场的补偿可以有效消除振荡,目前大量补偿磁场的工作依赖于高精度的磁场测量仪器,我们利用读出信号随磁场的变化而变化的特性,采用了利用读出效率对环境磁场补偿的方法研究。本文在磁光阱(MOT)的周围安装了三对线圈分三个方向对磁场噪声进行补偿。通过调节线圈的电流改变磁场,使得读出效率由于磁场的存在而干涉相消需要的时间不断增大,直至超过磁场为0时的存储寿命,出现的振荡消失即对环境磁场完成了补偿。由于人为操作误差以及不稳定因素带来的影响,使用高精度磁场测量仪器对磁场进行精确的补偿是不可能的,鉴于此,上述以原子为参照的方法可以更精确地补偿环境磁场。本文的工作为有效完成量子纠缠交换提供了帮助。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2021•0 citations

Tensor C*-algebra on Two Qubit Spin-1/2 System

Rivani Adistia Dewi, Imam Nugraha Albania, Rizky Rosjanuardi +1 more

Spin-1/2 system is one of the most important phenomenon in quantum mechanics.Such a system is known to be expressed as Pauli matrices, that isand 𝜎 3 = ( 1 0 0 -1 ) .By inserting the identity matrix 𝐼, we can construct a C*-algebra 𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }) with |{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }⨂{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }| = 16 = |{𝐸 𝑖𝑗 : 𝑖, 𝑗 = 1,2,3,4} |, where 𝐸 𝑖𝑗 is the canonical basis of C*-algebra 𝑀 4 (ℂ).In this study, by using the linear independence concept, we got 𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 })⨂𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }) ≅ 𝑀 4 (ℂ).This means, that for any observable in the composite of two spin-1/2 systems, by self-adjointness of Pauli matrices, it can be expressed by the field reduction from ℂ to ℝ in 𝑠𝑝𝑎𝑛{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }⨂{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 } where the structure itself is nonassociative algebra.Furthermore, given a Hamiltonian 𝐻(𝑡) = (𝜎 1 ⨂𝜎 1 ) + 𝒥 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (𝜎 3 ⨂𝐼) + 𝒥 𝑠𝑖𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) (𝐼⨂𝜎 3 ) and the initial state which is a linear combination of Bell basis, by using the integration factor method and the commutation fact of the exponential operator, we got the following timedependent state |𝜓(𝑡)⟩ = 1 √2 (𝑒 ( 𝑖𝑡 ℏ )( 𝑖𝒥 ℏ𝜔 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡))( 𝑖𝒥 ℏ𝜔 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡))𝜈 𝑖(5-𝑖) ) 𝑖=1 4 with 𝜈 𝑖𝑗 = 𝛿 (𝑖+𝑗)5 (-1) 𝑚𝑎𝑘𝑠{𝑖,𝑗} , where 𝛿 𝑖𝑗 is Kronecker delta.

Advances in Social Science, Education and Humanities Research/Advances in social science, education and humanities research•Jan 1, 2024•0 citations

用于量子传感的非经典光场产生装置

Jing Liu, 中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030000, Wenhai YANG +7 more

光学传感技术具有探测灵敏度高、响应速度快及抗电磁干扰能力强等优势,在微弱信号探测领域展现出广阔的应用前景。然而,随着技术需求的不断提升,传统光学传感手段已难以满足各领域对微弱信号高精度探测的要求。尽管提高激光功率可在一定程度上提升探测灵敏度,但高功率激光会引入显著的噪声,导致信噪比急剧下降。相比之下,利用压缩态光场进行量子传感,可在低激光功率条件下实现突破量子噪声极限的探测灵敏度。针对上述问题,搭建了一套用于制备正交振幅明亮压缩态光场的实验装置。该装置由三个主要部分构成:激光产生部分(包括1064 nm单频激光器与倍频器),压缩态光场产生与探测部分(包括光学参量放大器与平衡零拍探测器),以及反馈控制部分(由7路边带锁频回路构成)。通过优化机械结构、系统光路及反馈控制策略,实现了平均压缩度为(−6.4 ± 0.2)dB,平均光功率为35 μW的压缩态光场稳定输出。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2026•0 citations

用于冷原子实验的一维折射型光束扫描系统

冯涛 Feng Tao, 杨鹏飞 Yang Pengfei, 范青 Fan Qing +4 more

利用可旋转楔形棱镜(振镜)的光折射效应,实现一维受控的高精度光束扫描系统,并将其用于产生移动的光学偶极阱系统,能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成,其束腰半径为(21.9±0.4) μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度,能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动,通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式,能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中,光学偶极阱功率起伏为±3.45%,束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统,可以在30 ms内将原子转移5 mm,原子转移效率大于90.0%,温度变化小于5 μK;当转移时间为45 ms时,原子转移效率达(99.6±4.6)%。通过改善电机响应,最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm,原子转移效率为(94.3±3.6)%。该光束扫描系统具有通光孔径大(高斯直径>10 mm)、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势,能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2024•1 citation

Correlation inequalities and phase transition in the generalized X-Y model

Masuo Suzuki

Correlation inequalities <σAz>≥0, <σAzσBz>≥<σAz><σBz>, ∂<σAz>/∂JBz≥0, and ∂<σAz>/∂JBx≤0 are proved for the generalized X-Y model with the Hamiltonian of the form H=−Σ(JAzσAz+JAxσAx), where σAz=ΠjεAσjz, σAx=ΠjεAσjx, JAz≥0,JAx≥0, A denotes an arbitrary subset of the N lattice points, and σjx, σjz are the Pauli matrices. This yields a simple extension of the Griffiths-Kelly-Sherman inequalities to the above quantal system. Applications to phase transitions are also discussed briefly.

Journal of Mathematical Physics•Jul 1, 1973•10 citations
在锶原子光钟系统中,从原子炉喷出的锶原子气体需要经过塞曼减速器进行预冷却,由于径向速度较大的原子会脱离塞曼减速光作用区域,因此还需要对原子进行横向冷却。为实现塞曼减速器和横向冷却装置的小型化、集成化,并降低系统功耗,设计了总长度为95 mm的永磁体阵列塞曼减速器,可在67 mm的减速区域内将轴向速度260 m/s的原子减速至50 m/s,由40个小磁体固定在支架上构成减速磁场。横向冷却基于二维磁光阱原理,径向梯度磁场由塞曼减速器提供,位于轴向磁场零点处,σ+-σ-的光场通过集成到塞曼减速器内的折叠光学实现。根据原子束流轴向速度分布的测量结果,对集成横向冷却的塞曼减速装置进行了性能评估:从410 ℃的原子炉喷出的高温锶原子气体,速度在50 m/s以下的低速原子占比为0.5%,经过塞曼减速光减速后,低速原子比例提高到2.4%,横向冷却可将低速原子比例进一步提高到4.8%。在560 ms的装载时间内,一级冷却阶段俘获了8.0×105的87Sr原子,为实现高性能的小型化锶原子光钟提供了参考。
原子磁力仪作为一种用于精确测量磁场的仪器,在基础物理、地球科学、生物医学等多个领域发挥着重要作用。针对原子磁力仪的技术发展进行了全面综述,包括主要分类、基本特征,并重点介绍了碱金属光泵浦磁力仪、相干布居囚禁原子磁力仪、无自旋交换弛豫原子磁力仪,以及非线性磁光旋转原子磁力仪等仪器的研究现状与发展趋势。首先介绍了基于经典物理原理和量子效应原理的磁力仪分类;然后详细讨论了4种量子效应原子磁力仪的工作原理、灵敏度、动态范围、带宽等关键性能指标,以及它们在不同应用场景下的优势和挑战;最后,探讨了这些磁力仪技术的未来发展方向,包括微型化、集成化、矢量磁场测量能力的提升,以及在生物医学成像、地球物理勘探等领域的潜在应用。
在光与原子纠缠量子界面的建立过程中,环境磁场带来的干扰不可忽视,因此需要对环境磁场进行严格补偿。在多能级结构的原子系综中,通过自发拉曼过程会产生多个原子自旋波,在外界磁场的干扰下,这些自旋波的读出效率会随着存储时间发生振荡。通过对环境磁场的补偿可以有效消除振荡,目前大量补偿磁场的工作依赖于高精度的磁场测量仪器,我们利用读出信号随磁场的变化而变化的特性,采用了利用读出效率对环境磁场补偿的方法研究。本文在磁光阱(MOT)的周围安装了三对线圈分三个方向对磁场噪声进行补偿。通过调节线圈的电流改变磁场,使得读出效率由于磁场的存在而干涉相消需要的时间不断增大,直至超过磁场为0时的存储寿命,出现的振荡消失即对环境磁场完成了补偿。由于人为操作误差以及不稳定因素带来的影响,使用高精度磁场测量仪器对磁场进行精确的补偿是不可能的,鉴于此,上述以原子为参照的方法可以更精确地补偿环境磁场。本文的工作为有效完成量子纠缠交换提供了帮助。
Spin-1/2 system is one of the most important phenomenon in quantum mechanics.Such a system is known to be expressed as Pauli matrices, that isand 𝜎 3 = ( 1 0 0 -1 ) .By inserting the identity matrix 𝐼, we can construct a C*-algebra 𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }) with |{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }⨂{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }| = 16 = |{𝐸 𝑖𝑗 : 𝑖, 𝑗 = 1,2,3,4} |, where 𝐸 𝑖𝑗 is the canonical basis of C*-algebra 𝑀 4 (ℂ).In this study, by using the linear independence concept, we got 𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 })⨂𝐶 * ({𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }) ≅ 𝑀 4 (ℂ).This means, that for any observable in the composite of two spin-1/2 systems, by self-adjointness of Pauli matrices, it can be expressed by the field reduction from ℂ to ℝ in 𝑠𝑝𝑎𝑛{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 }⨂{𝐼, 𝜎 1 , 𝜎 2 , 𝜎 3 } where the structure itself is nonassociative algebra.Furthermore, given a Hamiltonian 𝐻(𝑡) = (𝜎 1 ⨂𝜎 1 ) + 𝒥 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (𝜎 3 ⨂𝐼) + 𝒥 𝑠𝑖𝑛 (𝜔𝑡 + 𝜋 2 ) (𝐼⨂𝜎 3 ) and the initial state which is a linear combination of Bell basis, by using the integration factor method and the commutation fact of the exponential operator, we got the following timedependent state |𝜓(𝑡)⟩ = 1 √2 (𝑒 ( 𝑖𝑡 ℏ )( 𝑖𝒥 ℏ𝜔 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡))( 𝑖𝒥 ℏ𝜔 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡))𝜈 𝑖(5-𝑖) ) 𝑖=1 4 with 𝜈 𝑖𝑗 = 𝛿 (𝑖+𝑗)5 (-1) 𝑚𝑎𝑘𝑠{𝑖,𝑗} , where 𝛿 𝑖𝑗 is Kronecker delta.
光学传感技术具有探测灵敏度高、响应速度快及抗电磁干扰能力强等优势,在微弱信号探测领域展现出广阔的应用前景。然而,随着技术需求的不断提升,传统光学传感手段已难以满足各领域对微弱信号高精度探测的要求。尽管提高激光功率可在一定程度上提升探测灵敏度,但高功率激光会引入显著的噪声,导致信噪比急剧下降。相比之下,利用压缩态光场进行量子传感,可在低激光功率条件下实现突破量子噪声极限的探测灵敏度。针对上述问题,搭建了一套用于制备正交振幅明亮压缩态光场的实验装置。该装置由三个主要部分构成:激光产生部分(包括1064 nm单频激光器与倍频器),压缩态光场产生与探测部分(包括光学参量放大器与平衡零拍探测器),以及反馈控制部分(由7路边带锁频回路构成)。通过优化机械结构、系统光路及反馈控制策略,实现了平均压缩度为(−6.4 ± 0.2)dB,平均光功率为35 μW的压缩态光场稳定输出。
利用可旋转楔形棱镜(振镜)的光折射效应,实现一维受控的高精度光束扫描系统,并将其用于产生移动的光学偶极阱系统,能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成,其束腰半径为(21.9±0.4) μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度,能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动,通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式,能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中,光学偶极阱功率起伏为±3.45%,束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统,可以在30 ms内将原子转移5 mm,原子转移效率大于90.0%,温度变化小于5 μK;当转移时间为45 ms时,原子转移效率达(99.6±4.6)%。通过改善电机响应,最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm,原子转移效率为(94.3±3.6)%。该光束扫描系统具有通光孔径大(高斯直径>10 mm)、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势,能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。
Correlation inequalities <σAz>≥0, <σAzσBz>≥<σAz><σBz>, ∂<σAz>/∂JBz≥0, and ∂<σAz>/∂JBx≤0 are proved for the generalized X-Y model with the Hamiltonian of the form H=−Σ(JAzσAz+JAxσAx), where σAz=ΠjεAσjz, σAx=ΠjεAσjx, JAz≥0,JAx≥0, A denotes an arbitrary subset of the N lattice points, and σjx, σjz are the Pauli matrices. This yields a simple extension of the Griffiths-Kelly-Sherman inequalities to the above quantal system. Applications to phase transitions are also discussed briefly.