课题组名称：量子凝聚及超冷原子物理 

　　课题组成员：周蜀渝副研究员、钱军副研究员、李晓林副研究员、朱少兵博士、吕昊博士、陈涛博士（已毕业）、陈康硕士（已毕业） 

　　研究内容简介： 

　　超冷原子气体的量子操控是物理学研究中最重要、最活跃的前沿领域之一，近三十年来有多次诺贝尔物理学奖授予该领域（1989、1997、2001、2005、2012年）。超冷原子系统具有精确可控、受外界环境影响小等优点，因此通过精确地控制原子的动力学行为和内部状态。这样的体系可用来模拟复杂凝聚态物理现象，为解决高温超导等重大问题提供新的研究思路。通过调控超冷原子间相互作用，还能制备振动-转动基态的超冷分子，为研究化学反应微观机制、长程相互作用、量子磁性等提供了可靠和精确的实验平台。因此，超冷原子气体研究不仅有十分重要的科学研究价值，而且正在对人类生活、技术进步和经济发展产生重要影响。 

　　上海光机所量子光学实验室是国内最早开展冷原子物理研究的科研单位之一。在创始人王育竹院士的领导下，取得了多项国际知名、国内领先的研究成果：例如我国第一台铷原子钟、原子束验证亚泊松光子统计、亚多普勒冷却极限（世界上最早的两个组之一）、中国第一个玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）和第一个原子芯片上的玻色-爱因斯坦凝聚等。2002年3月我们首次在国内实现了玻色-爱因斯坦凝聚。从2003年到2005年对系统进行升级，升级后获得的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）包含2×10⁵ 个⁸⁷Rb 原子，性能接近国际同类装置的水平。现在，实验室相关小组致力于用光、磁、射频等手段操纵中性原子，研究冷却到极低温条件下原子和分子的量子行为。 

　　图1. 玻色-爱因斯坦凝聚的实验装置和实验结果。 

　　研究方向： 

　　一、混合量子气体和冷分子 

　　设计和搭建了铷(Rb)-镱(Yb)混合气体实验平台。由于采用单腔单塞曼减速器方案，减小了设计难度和成本。该项目计划首先在同一个真空腔内实现Rb和Yb原子共同冷却和囚禁，然后用光缔合方法产生RbYb冷分子。这样，我们既能分别对Rb和Yb原子气体做相关的冷原子实验，也可以研究混合气体中低能原子（或分子）碰撞特性、分子反应动力学、长程相互作用、外场下操纵分子取向以及永久电偶极矩等。由于RbYb分子有磁矩，结合原子芯片技术，还可研究低维势阱下的极性分子。 

　　图2. 铷镱混合气体装置示意图 

　　二、量子模拟理论研究 

　　开展了碱土金属原子气体的量子模拟和非标准Bose-(Fermi)-Hubbard模型的理论研究。出发点是用装载在光晶格中的中性原子气体来仿真强关联体系下近藤效应以及重费米子液体材料中诸多复杂现象。同时，利用平均场理论和其他多体物理数值方法来研究光晶格中混合量子气体的非平衡态动力学过程。 

　　三、原子芯片上的量子气体 

　　在原子芯片BEC的基础上，进而研究BEC在精密测量方面的应用，包括新型原子干涉仪以及用超冷原子探测固体表面等。 

　　四、冷原子中的量子信息   

　　2010年，成功的在达曼光栅产生的一维微势阱里实现单原子阵列。利用四波混频过程从冷原子系综里产生了具有非经典关联的光子对。下面将研究非经典光子对与冷原子系综或光学腔的相互作用，在条件成熟时用于BEC的量子态操控。 

　　图3. 冷原子系综产生非经典光子对的原理、装置示意图和实验结果。