空间冷原子物理及应用探索

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1、基础研究载人航天2011年第5期空间冷原子物理及应用探索吕宝龙1刘亮z刘伍明s陈徐宗4(1中国科学院武汉物理与数学研究所2中国科学院上海光学精密机械研究所3中国科学院物理研究所4北京大学信息科学技术学院)摘要介绍空间冷原子物理领域现状，论述微重力环境下冷原子物理特色与优势的基础上，指出空间冷原子体系为原子分子物理的前沿领域，为精密物理测量提供了不可取代的强；k：r--g．，讨论了空间冷原子物理在量子仿真、新物态、基本物理规律的验证以及高技术开发等方面的应用。关键词微重力冷原子空间站分类号V419+．2文献标识码A文章编号1674—5825(2011)05—0033～06究包括高温超导在内

2、的强关联系统、量子多体系统、l引言量子化学过程等打开了全新的视野。以玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)为代表的冷原子除了基础物理领域之外，超冷原子系统在许多物理正处于蓬勃发展阶段。冷原子是人工制造的最高新技术的领域也展现出诱人的应用前景。利用冷接近绝对零度的物质，也是自然界中最冷的物质。冷原子的量子波动性来构造高精密原子光学器件，如原子系统所展现出的独特的量子力学波动性、宏观原子干涉仪和陀螺仪，相比对应的同类光学器件，有量子相干性以及人工可调控性，使它成为物理学中着无可比拟的超高灵敏度。冷原子与光晶格的结合前所未有的全新量子物质。冷原子系统易于人工控可以获得近似静止的原子系统，有可能将冷原子光

3、制而且纯度高，所以可以实现一些在传统的凝聚态钟的精度提高到10的量级。高精度冷原子光钟不系统中达不到的参数区域。光晶格势阱囚禁下的冷仅用来检验或验证基本物理定律，还可直接用于空原子玻色系统已经成功应用于玻色Hubbard模型的间导航、深空探测以及大地测量等。研究，实现了强相互作用极限情况下的Tonks气体。然而，在地面实验室内，重力的存在对冷原子实冷原子物理最近几年主要研究方向集中在BEC的验施加了诸多限制。尤其关键的是，重力妨碍了原子光场量子操控、量子仿真、量子新物态、超低温量子的深度冷却，使地面实验室获得的冷原子温度很难相变、超冷极性分子等方面。代表性的工作包括光晶突破1OK(nK)

4、量级。而在微重力环境下，这些限制格中BEC的强关联特性、人工模拟晶体、超流一Mott都可以克服，有望获得10K(pK)量级甚至于lOK绝缘相变，还包括费米凝聚态，例如费米简并气体、(fx)量级的超低温度，从而使原子充分“冻结”以突BCS—BEC转变、分子凝聚体、超低温极性分子等。此显原子系统的量子效应，使人们能够在前所未有的外，最近实验上实现了BEC的人造规范势并产生了参数区域中进行超低温量子气体的研究并开发冷原量子涡旋【lJ。近期的研究表明，利用光场操控下的超子的应用。因此，空间冷原子物理在国际上受到普遍冷原子可能实现超固态、玻色量子霍尔态、阻挫相等重视。欧洲各国空间科学实验主要通过欧

5、洲航天局一系列奇异物态。毫无疑问，冷原子物理的进展为研(ESA)执行。ESA的空间科学任务之一就是“激光冷来稿日期：2o11-o7—26；修回日期：2Oll—o8-21。作者简介：吕宝龙(1967．02一)，男，博士，研究员，主要从事超冷原子物理与应用研究工作。33载人航天2011年第5期基础研究却在基石：{{物理中的应用”。国际上第一个在微重力环几乎感受不到引力势的变化。境下的BEC研究项目是欧洲的QUANTUS计划日。(3)微重力环境下还可以实现超大尺寸BEC，QUANTUS的目标是在微重力环境下进行BEC和简从而更精确地控制和观测宏观相干物质波。具有极并混合气体的研究。目前，QUA

6、NTUS的落塔实验已低温度与超大尺寸的BEC不仅在更为宏观的空问经获得r微重力环境下的BECt21，但落塔有限的微重范围内展示物质波的非定域特性，而且极大地抑制力时间使实验研究难以深入。QUANTUS项目的下一了原子系统的有限温度效应，为研究纯净的量子相步计划涉及芯片表面的BEC、铷和钾双元素混合等。变过程提供了可能。同时，由于在大尺寸BEC中超美国问科学研究由NASA领导。NASA支持基础物弱长程效应变得尤为重要，因此有可能观察到全新理研究已经有数十年的历史，最初的研究项目集中的低能量子相变。在“低温与凝聚态物理”，近年来又增加了对“激光冷(4)地面环境实现的BEC的寿命受制于原子之却

7、与原予物理”的支持。NASA在支持空间物理实验间的三体复合效应，一般不超过秒的量级。而微重力的同时，也广泛支持许多基于地面环境的预研项目。环境中弱囚禁下的超大尺寸BEC可以达到很低的我围在空间冷原子物理研究尚处于酝酿阶段，空间密度，三体复合效应受到极大抑制，BEC的寿命已形成了具有国际先进水平的理论研究团队。实验也随之大大延长。因此，人们可望在微重力环境下实方面，日前有6个实验室已经获得了冷原子物理的现对物质波的长时间量子操控与测量