新型量子系综制备与应用的研究

发布时间：2020-09-11 19:15

　　基于光与原子相互作用的新型量子系综的制备与应用,在量子信息科学领域中具有重要的价值。本文主要介绍了两种新型量子系综的制备过程及其相关应用:第一,基于无自旋交换碰撞弛豫(SERF)四通道小型化原子磁强计的研制,并利用该探头实现稳态视觉诱发电位(SSVEP)脑磁信号的精确测量;第二,提出一种新型的实验方法,利用一维远失谐激光实现超大光学厚度(OD)的冷原子量子系综,并在该系综下研究四波混频(FWM)物理过程。SERF磁强计利用碱金属原子自旋实现微弱磁场的精密测量,是一种新型的超高灵敏度光泵磁强计(OPM)。由于SERF磁强计结构简单便于小型化、低功耗、高灵敏度与稳定性等特点,在生物磁场领域其最有潜质代替传统的、造价和维护成本极高的量子超导干涉仪(SQUID)磁强计。本量子系综主要是利用单束泵浦激光与体积为8 mm×8 mm×8 mm钾原子气室作用,实现四通道小型化原子磁强计。整个探头体积为190 mm×40 mm×20 mm,主要包括光路系统、原子气室、线圈系统、加热系统和信号放大四个部分。其中,我们利用高导热率的热管研制了一套新奇的无磁加热系统,使原子气室加热至160℃同时不引入额外的磁场噪音。本工作实现的磁强计探头具有高梯度灵敏度(6 fT/Hz~(1/2)),能多通道测量以及高空间分辨率等特点,能够用于脑磁图(MEG)和心磁图(MCG)领域。另外,利用该四通道小型化原子磁强计,我们实现了对SSVEP脑磁信号的测量,并分析了不同视觉刺激频率下SSVEP脑磁信号强度与信噪比。本论文中实现的第二种新型量子系综是大OD光阱冷原子系统。将磁光阱冷原子团装载到一维远失谐1064 nm激光光阱中,实现了OD为2857的量子系综。相比于传统的实验方案二维磁光阱(2D-MOT),其系统简单、稳定性好、均匀好,是量子信息和非线性光学领域中理想的实验系统。另外,在该新型量子系综下,通过入射泵浦光和耦合光实现和分析了高效的FWM过程。实验中,FWM过程产生的斯托克斯和反斯托克斯光信号强度高达uW量级。相比于晶体介质,基于冷原子系综FWM过程产生更窄线宽的非经典光子对。并且,实验上也发现明显的阈值效应,这可能是一种无反转激光现象。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;TM936
【部分图文】：

磁强计,灵敏度,量子

及科学研究等领域是至关重要的。近年，以量子测量技术快速发展，量子磁精密测量是量子信绍磁场测量的研究背景和历程以及几种重要的内容和结构。和简介物理不断深入研究和各项物理技术的出现，涌磁强计，如图1.1所示。大体上，根据测量方式可量磁强计 [22]。前者可以实现磁场矢量成分的测度大小。另外，磁强计也可分为固定式磁强计通门磁强计、SQUID 磁强计、光泵磁强计以及超

示意图,示意图,磁强计,导环

而是利用高速稳压器恒定该电压，通过所用的反馈电压表征磁通的变化信息。图1.3 dc SQUID示意图Figure 1.3 Schematic diagram of dc SQUID相比于 dc SQUID，rf SQUID 结构中超导环只有一个约瑟夫森结，利用超导环和 LC 振荡回路进行耦合作用，对于不同类型的 SQUID 有详细的描述 [28 31]，但是由于低噪音特性，一般商业上均是 dc SQUID。当然，SQUID 磁强计中的超导需要使用液氦导致其造价和维护成本非常高，但是其灵敏度可达 1 fT/Hz1/2特性使得该磁强计是在弱磁精密测量领域占据着重要的地位。4

特性图,磁通,光泵磁强计,特性

第 1 章绪论图1.4 I-V曲线及电压-磁通特性Figure 1.4 I-V curve and the change in voltage allows the flux.1.2.3 光泵磁强计光泵磁强计是基于光与原子相互作用，在外磁场作用下氦、碱金属铷或者铯、氮以及氢等原子产生塞曼劈裂为基础，利用光磁共振原理实现磁场精密测量。光泵磁强计始于 1949 年 Bitter 提出磁共振光探测技术 [32] 和 1950 年 AlfredKastler 光泵浦技术 [33, 34] 的发展，1957 年 Demelt[10] 发现了基于磁致进动对光调制原理实现磁场测量的方法，同年，Bell 和 Bloom[35] 实验上实现全光型磁强计，证实通过偏振光的吸收对原子极化进行测量。如图1.5是一种典型的基于氦原子光泵磁强计。图1.54He光泵磁强计Figure 1

【参考文献】