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文档简介
1、王如泉中国科学院物理研究所第五届全国冷原子物理和量子信息青年学者学术讨论会兰州大学 2010. 8. 41. Why is in situ imaging important2. The BEC setup at IOP and our in situ imaging plan3. The 87Rb-40K-23Na(6Li) project at IOPBEC coherent macroscopic matter wavelamplaserVortex in BEC(JILA group, 2000)Matter wave interference(MIT group, 1997)BEC
2、of BEC of 87Rb(JILA group, 1995)Ideal platform for Ultra low temperature quantum physicsMatter wave laser(MPQ group, 2000)强关联多体物理:强关联多体物理:是物理学尚未攻克的难关,又是决定诸多材料物性的关键(铁磁性,巨磁电阻,重费米子,高温超导等)原因原因: :1.多体波函数,全量子系统2.非线性系统,无法用微扰论处理数值仿真数值仿真计算资源随系统粒子数指数增长解决方案之一:解决方案之一: 用量子计算机仿真量子系统 新材料探索: 超导, 磁性等量子计算机: 光晶格中的原子气基
3、本模型研究: Hubbard模型, Heisenberg模型等Quantum simulation of many body physics什么是量子仿真什么是量子仿真? ?Qi Zhou et al, PRL 103, 085701 (2009)Quantum simulation of many body physicsQi Zhou et al, PRL 103, 085701 (2009)Quantum degenerate Bose/Fermi system below micro KelvinOptical lattice provide periodical potential
4、with no defectsAtom-atom interaction can be described by a simple s-wave scattering lengthEasily tunable Hubbard Model parametersArtificial toy models: 1D, 2D, spinor, etcSuper fluid to Mott insulator phase transition in 3-D optical latticeGreiner M., Mandel O., Esslinger T., Hansch T. W. & Bloc
5、h I., Nature 415, 3944 (2002).First quantum simulation experiment looks beautiful, but faces a lot of questions3D optical latticeLack of a clear diagnostic of how to identify phases Complications due to coexistence of different phases in the same confining potentialLack of thermometry of the Bose ga
6、s in the optical latticeTime of flight (TOF) imaging0ms10ms20ms30msBEC的相变过程各向异性膨胀TOF imaging of BEC IOPProblem with TOF measurementQi Zhou et al, PRL 103, 085701 (2009)Gemelke, N., Zhang, X., Hung, C.-L. & Chin, Nature, 460, 995 (2009)Absorption imaging of density profile of thin layer cold atom
7、s in 2-D opticallattice with a high numerical aperture imaging lens.In-situ imaging: corner stone setting experiment by Chins group at ChicagoI. Bloch et al, Nature, 467, 68(2010)I. Blochs groups work to resolve single lattice siteMelting of a Mott insulatorW. S. Bakr, J. I. Gillen, M. Greiner et al
8、, Nature, 462, 74(2009) M. Greiners group to achieve single lattice resolutionWedding cake structure of the Mott insulatorW. S. Bakr, M. Greiner et al, Science, 329, 547(2010)What can we achieve with in situ imaging of number densityTin-Lun Ho and Qi Zhou,NATURE PHYSICS 6, 131(2009)Determine the sup
9、erfluid density, temperature and chemical potential of the trapped system with high accuracy, critical for mapping out the phase diagram at finite temperatureQi Zhou et al, PRL 103, 085701 (2009)Single Chamber BEC IOPSingle chamber design vs Double MOT design: advantages and disadvantagesSingle cham
10、berDouble MOTVacuum system1 chamber and 1 set of pumping system2 chambers and 2 sets of pumping systemLaser cooling system6 laser beams13 laser beamsOptical access4 free directions2D optical lattice3 free directions 1D optical latticeNo of atoms1x105(2-5)x105Light-Induced Atomic Desorption for loadi
11、ng a Rubidium Magneto-Optical Trap010203040506070800.05.0 x1081.0 x1091.5x1092.0 x109 500mA 411mA 310mA 200mA 100mA 25mA 0mAatomtime (s)MOT loading at different LED current01002003000.02.0 x1084.0 x108rate decaytime (s)LED current 500mAFast decay 2sSlow decay 50sVacuum restoring time Quadruple trapy
12、xzdBdBdBdxdydz 0B0B Phys. Rev. A, 35, 1535(1987)Phys. Rev. A, 63, 031401(2001)Magnetic atom transfer belt转移线圈冷原子团Transfer coils geometry线圈内半径mm外半径mm厚度mm线直径mm填充率MOT30.050.015.01.662%TC10.040.015.01.662%QUIC15.050.010.01.662%保持转移方向的磁场梯度为75G/cm重力方向Field Plot during the transferring process MOTBEClattic
13、eImaging lensCCD cameraCCD cameraTransfer coil 3D lattice and Ultra high resolution in situ imaging Large numerical aperture long working distance objectivesCompanyProduct specification Work distance/mmNAZeissEpiplan-Neofluar 50 x/0.55 HD DIC M279.00.55OlympusSLMPLN100 x7.60.6LeicaHCX PL FLUOTAR L 4
14、0 x/0.60 CORR3.30.6NikonELWD 50 x8.70.55MitutoyoM Plan Apo 100 xG Plan Apo 50 x615.080.70.5Group ObjectiveM. Greiner18mm 0.55(to 0.8)I. Bloch13mm 0.68(Leica)C. ChinResolution 3-4umD. S. Weiss16mm 0.55M. Karski0.29EMCCD cameraGroup CCDM. GreinerEMCCD (Andor Ixon DU888)I. BlochEMCCDC. ChinNot mentione
15、dD. S. WeissEMCCDM. KarskiEMCCDSpatial resolved single photon detectionPrinceton Instrument ProEM: 512B_eXcelon异核偶极分子具有各向异性且长程的偶极-偶极相互作用,是对关联系统研究具有重要意义。玻色-费米混合系统(玻色子,费米子到极性分子)Quantum degenerate polar molecules偶极晶体相变,多体偶极量子气,量子信息,超冷化学量子简并相干态转化New. J. Phys., 11, 055049(2009) 简并玻色-费米混合系统是得到超冷分子的最优手段超冷分
16、子的重要科学意义基态冷分子制备偶极分子的各向异性超冷化学中的量子统计特性Nature, 424, 47(2003), Science, 301, 1510 (2003), Phys. Rev. Lett. 100, 143201 (2008). Nature Physics 4, 622 (2008), Phys. Rev. Lett. 100, 143201 (2008), Science, 322, 231 (2008), Science, 327, 853 (2010), Nature, 464, 1324(2010) 1.铷-钾分子偶极矩太小2.铷-钾分子在超冷碰撞中不稳定激发态冷分子
17、制备新的原子选择的必要性和优势:40K-23Na40K-23Na具有更大的偶极矩和超冷化学反应的稳定性,是所有可能中的最佳组合87Rb-40K-23Na(或6Li)混合冷却系统相对碰撞截面Rb-Rb1K-Rb2Li-K0.2Li-Li0.1Na-Na0.72Na-K?偶极矩(Debeye)稳定性E(cm-1)Li-Na0.56-328Li-K3.6-534Li-Rb4.2-618Li-Cs5.5-415Na-K2.874.3K-Rb0.6-8.7K-Cs1.937.8 J. Chem. Phys. 122,204302 (2005)31The 87Rb-40K-23Na(6Li) projec
18、t at IOP23Na和7Li同一塞曼减速器和同一套染料激光转移线圈以实现三维光晶格和原位测量磁阱原位测量空间分辨优于2微米32铷原子冷却激光系统钾原子冷却激光系统钠原子冷却激光系统33Cooling laser for Rb and K25oC下自由运转波长783nm的激光管冷却到-50oC得到767nm,0.2nm/oC。困难:冷却到-50C热负载很大且有结露问题,解决方法:真空隔热和三级制冷。Cooling laser for Lithium cooling laser for Li Complete injection lockingpartial injection locking multimodenot injection locking8mw inject
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