光学Feshbach共振调控下的镱原子玻色-爱因斯坦凝聚体在一维光晶格中的干涉研究

Based on the 174Yb BEC trapped in crossed FORT, Kapitza-Dirac scattering effect is used to measure the s-wave scattering length and mean field energy of the condensate induced by optical Feshbach resonance near the intercombination transition 1S0-3P1. The relationship of the interference pattern of 174Yb BEC and the mean field interaction is further studied in 1D optical lattice. Related key techniques include increasing the trapped atoms number by adding repumping lasers, high efficient loading into crossed FORT, preparing BEC using evaporative cooling, measuring Kapitza-Dirac scattering effect, observing the interference of BEC in optical lattice and son on. Compared with the related research abroad, trapped atoms number can be greatly increased by using the blue MOT-green MOT trapping and repumping lasers. And the interaction control of atoms with optical Feshbach resonance supplies a new method to study ultracold Bose gase in optical lattice.With optical Feshbach resonance the scattering length of BEC can be adjusted to the size comparable with that of the subcondensate in single lattice. So the new quantum interference effect may be observed in this strong interaction condition.

本项目以囚禁在交叉FORT阱中的174Yb BEC为研究对象，利用Kapitza-Dirac散射来精确测量窄线互组跃迁的光学Feshbach共振诱导的s波散射长度和平均场能的变化。基于光学Feshbach共振技术，进一步研究一维光晶格中镱原子BEC干涉图样随平均场相互作用强度的变化关系。项目主要涉及到回泵光增强囚禁原子数、交叉光偶极阱装载、蒸发冷却制备BEC、Kapitza-Dirac效应测量、光晶格中BEC的干涉测量等关键技术问题。与国际上的相关研究相比，采用蓝阱-绿阱转移并增加回泵光，有望使囚禁原子数显著提高。利用光学Feshbach共振调节原子之间的相互作用为研究光晶格系统中超冷玻色气体提供了新的调控手段，光学Feshbach共振可将凝聚体的散射长度可以调节到与单个晶格内子凝聚体的尺寸相当，因此本项目可望在强相互作用条件下观察到新的量子干涉效应。

近年来双价电子结构的Ca、Sr、Yb等碱土元素的玻色爱因斯坦凝聚（BEC）与费米简并的实现引起了广泛的关注。其独特的双价电子结构为我们提供了有别于碱金属的全新量子体系，进一步丰富了对量子仿真、量子计算、超冷量子相变的研究。相互作用是决定体系相变行为和动力学的关键。超冷量子气体的相互作用主要为s波相互作用。而基于碱土元素1S0-3P1窄线互组跃迁的光学Feshbach共振具有较大的Franck-Condon因子、较小的原子损失率和窄线的光缔合谱，成为调控其相互作用的有效手段。与碱金属的磁Feshbach共振相比，光学Feshbach共振具有两大优势：第一，通过控制缔合光的强度和失谐量可以实现对相互作用的快速调节，从而研究量子气体的动力学行为；第二，通过对缔合光场的空间分布的设计可以实现对量子气体相互作用的空间调控。本项目以囚禁在交叉 FORT 阱中的 174Yb BEC 为研究对象，探索利用光学Feshbach共振调控体系相互作用来研究BEC在光晶格的干涉现象。主要研究内容包括：镱原子的交叉FORT囚禁、窄线光缔合谱的精确测量与174Yb BEC的制备。通过将174Yb囚禁在交叉FORT中进行蒸发冷却，我们成功实现174Yb的BEC制备，凝聚体数目达到2×104，寿命达到1.1秒。在交叉FORT中我们对174Yb窄线互组跃迁的光缔合谱进行了精确测量，得到了从近共振到负失谐1GHz范围内的8个激发态振转谱。BEC平台的实现和高分辨光缔合谱的测量为我们下一步开展利用光学Feshbach共振调控相互作用研究BEC在光晶格中的干涉奠定了实验基础。另外，我们还实现镱原子的一维光晶格装载，晶格寿命达到2.7秒。在一维光晶格钟，我们成功实现对171Yb钟频跃迁的高分辨测量。在200ms激发时间下，钟跃迁线宽达到6.3（0.4）Hz。高分辨的钟频跃迁谱也为我们探索利用钟频跃迁研究超冷相互作用提供了新思路。