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近日，精密測量院江開軍研究團隊研制出基于超冷原子氣體的渦旋物質波干涉儀，并觀察到兩自旋分量上干涉條紋的相位鎖定現象，相關研究成果 6月30日發表在學術期刊《npj Quantum Information》上。
干涉是經典波動力學和量子力學中的基本現象，以此為基礎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行精確測量。超冷原子氣體具有組分純凈、相干性好且內外態精確可控的特點，基于該體系的物質波干涉儀近年來成為精密測量和基礎物理研究的重要工具。目前在超冷原子氣體中實現的物質波干涉主要是通過操控物質波的平動自由度實現分束，觀測具有不同線動量的物質波干涉條紋進行相位測量。而另一方面，由角動量表征的轉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、超流等量子現象具有密切的聯系。在超冷原子氣體中可以基于不同的角動量態實現一類新型的渦旋物質波干涉，有望用于測量體系的外部磁場、轉動、粒子間相互作用和幾何相位等物理量。實現渦旋物質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。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展，為建立渦旋物質波干涉儀奠定了基礎。
研究團隊近年來對超冷原子氣體的渦旋光場調控開展了研究，掌握了利用渦旋光場驅動雙光子拉曼躍遷實現超冷原子渦旋態的制備、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)]。
渦旋物質波干涉儀的實驗構型
在前期工作的基礎上，研究團隊利用偏置磁場在銣87原子F=1超精細能級的三個磁子能級間產生較大的二階塞曼頻移。團隊利用一對具有不同角動量的拉曼光束誘導雙光子躍遷，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）；隨后利用射頻脈沖作為第二個分束器，在兩個自旋態（對應分束器的兩個輸出端口）上都實現渦旋物質波的干涉。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，產生無損耗的分束器。不同于線動量干涉產生的線向干涉條紋，實驗上觀察到角向干涉條紋。通過對干涉圖樣的分析，發現兩自旋態上的干條紋具有反相位關系（π 相位差），該相位關系不受兩渦旋態的角動量差、拉曼光的組成和超冷原子自由膨脹時間等實驗參數的影響。提出了利用渦旋物質波干涉儀測量磁場的方案，并對磁場測量的靈敏度進行了評估，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波動的影響。該工作為構建基于渦旋物質波干涉的新型量子傳感器提供了實驗基礎。
兩自旋態干涉條紋相位關系的實驗測量
相關研究成果以“相位鎖定的渦旋物質波干涉儀(Phase-locking matter-wave interferometer of vortex states)”為題，發表在學術期刊《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研發計劃、國家自然科學基金、中科院國際團隊以及湖北省創新群體項目等的資助。