近日，精密測量院江開軍研究團(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)的干涉儀可以通過測量不同路徑或通道間的相位移動對物理量進(jìn)行精確測量。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)波干涉儀近年來成為精密測量和基礎(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)波干涉主要是通過操控物質(zhì)波的平動自由度實(shí)現(xiàn)分束，觀測具有不同線動量的物質(zhì)波干涉條紋進(jìn)行相位測量。而另一方面，由角動量表征的轉(zhuǎn)動是體系另一個重要自由度，并且超冷量子氣體中的角動量與體系的渦旋、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，有望用于測量體系的外部磁場、轉(zhuǎn)動、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)。近年來攜帶角動量的拉蓋爾-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)近年來對超冷原子氣體的渦旋光場調(diào)控開展了研究，掌握了利用渦旋光場驅(qū)動雙光子拉曼躍遷實(shí)現(xiàn)超冷原子渦旋態(tài)的制備、操控與測量方法，測量了自旋-角動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)利用偏置磁場在銣87原子F=1超精細(xì)能級的三個磁子能級間產(chǎn)生較大的二階塞曼頻移。團(tuán)隊(duì)利用一對具有不同角動量的拉曼光束誘導(dǎo)雙光子躍遷，獲得干涉儀的第一個分束器，干涉儀的兩臂具有不同的自旋和角動量（渦旋態(tài)）；隨后利用射頻脈沖作為第二個分束器，在兩個自旋態(tài)（對應(yīng)分束器的兩個輸出端口）上都實(shí)現(xiàn)渦旋物質(zhì)波的干涉。通過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磁子能級，產(chǎn)生無損耗的分束器。不同于線動量干涉產(chǎn)生的線向干涉條紋，實(shí)驗(yàn)上觀察到角向干涉條紋。通過對干涉圖樣的分析，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)的角動量差、拉曼光的組成和超冷原子自由膨脹時間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響。提出了利用渦旋物質(zhì)波干涉儀測量磁場的方案，并對磁場測量的靈敏度進(jìn)行了評估，指出該方案可以測量有限大小的磁場，并且測量靈敏度不受原子數(shù)波動的影響。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軍為通訊作者。

　　該工作獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院國際團(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