原子芯片上指数型布居增长的原子输运 下载: 1015次
1 引言
量子力学是主宰微观粒子运动的基石,其基本原理之一是描述微观体系的哈密顿量应具有厄米性,以保证本征谱为实数以及几率守恒。1998年Bender等[1]得到一个影响深远的发现:若量子体系的哈密顿量满足宇称-时间对称性(Parity-Time Symmetry, 简称为PT 对称), 即便为非厄米的,仍有实的本征能谱。随后PT对称在光学器件(波导[2-3]和微腔[4])中得到实验证实,电子线路、微波、声学和超颖材料中也陆续观测到类似现象;许多反常的、新奇的效应,如单向非互易光传输[5]、单模激光[6-7]、隐身探测[8]等不断被发现。研究各种物理系统中的PT对称/破缺机制及应用已成为光学、光子学和人工微结构等学科交叉前沿的活跃领域之一。二十多年来,中性超冷原子气体由于宏观量子特性和高度可调性为人们提供了一种全新的多体量子体系,正在强关联体系的量子模拟、量子计算和量子精密测量等领域发挥着重要作用。借助调控光与原子气体相互作用可实现PT对称或反对称光学体系,但基于超冷原子气体的PT量子体系研究还主要局限在理论上。实验上构建具有PT对称性的两态原子体系,需产生受控的原子布居增益/损耗及相干耦合。Li等[9]进行的PT对称量子模拟实验中,由于实验体系具有指数型的原子损耗而没有原子态增益机制,演化过程中实际总原子数一直减少,难以探测PT对称/破缺相变临界点附近的体系动力学响应。因此,实现原子态布居的指数增长(即增益速率为非零常数)是该类研究的关键点之一。另一方面,利用超冷原子的良好相干性与高度可控性可精确控制原子系综的输运过程[10-19]。这种受控的超冷原子输运已被广泛用于电子器件(如晶体管、二极管等)、电子电路以及热传导的量子模拟和超冷原子量子泵、自旋扩散以及直流、交流Josephson效应研究[11-12,17-23],也为在超冷原子体系中观测增益/损耗平衡的PT对称提供了有力手段。与一般的超冷原子输运或导引不同的是,PT对称实验要求某一原子态的原子增益速率为常数,即要求该态原子数应为指数增长,这也是该实验的难点之一。
本文提出了一种原子芯片上受控原子输运方案,可实现目标势阱中的原子布居指数增长,以满足实现PT对称超冷原子体系的关键要求。通常,原子芯片上的原子输运采用磁导引、射频导引或QPC(Quantum Point Contact)等方法[24-29]。这里设计了特殊的复合Z阱,其导线电流产生的磁场可形成原子囚禁的双阱构型;并且设计了特殊的势阱形状控制策略以实现超冷原子在两阱之间的单向和稳定增益速率输运。采用直接模拟蒙特卡罗(Direct Simulation Monte Carlo, 简称DSMC)方 法模 拟 了原子芯片上大量原子在势阱中输运的动力学行为[30]。相较于求解复杂的玻尔兹曼方程,DSMC方法采用少量粒子模拟大量原子或分子的演化过程,运算复杂度大大降低,已被广泛用于超冷原子气体蒸发冷却[31-32]、协同冷却[33]、波色-爱因斯坦凝聚(BEC)陷俘[34]和玻色子集体模式的动力学过程[35-38]的数值仿真。借助DSMC方法,对原子布居受控增益的原子芯片输运方案作了可靠的数值仿真,并对初始温度、初始原子数和势阱控制参数进行了细致研究,将为随后在原子芯片上实现PT对称量子体系和研究相关新奇现象提供有力支持。
2 原子输运的理论模型与数值计算方法
受控87Rb原子输运的示意图如
式中:
式中:
图 1. (a)原子芯片产生双阱示意图。红线为载流导线,箭头表示电流方向,B0是沿y方向的偏置磁场,曲线U表示势阱沿x轴的分布;(b)双阱模型沿x轴的势能分布。初始势阱为实线所示,随着左侧势阱阱底抬升(虚线),原子逐渐由左侧势阱转移至右侧势阱中,同时截止能量提高。点线和点划线分别为原子输运开始前和开始后的截止能量,粗圆点代表囚禁在势阱中的原子,箭头为原子输运方向
Fig. 1. (a) Diagram of the double-well trap created by the atom chip. The red lines represent current-carrying wires while the arrows indicate the direction of current. B0 is the bias magnetic field in y direction. Curve U shows the potential distribution along the x axis; (b) potential distribution of the double-well trap model along the x axis. The initial double-well trap is shown as the solid line. With the uplift of the bottom of the left sub-well (dashed line),the atoms are gradually transported f
底的高度,截止能量保持为
确定双势阱模型后,采用DSMC方法模拟粒子的输运过程。DSMC方法的基本思想是:首先将空间按照粒子分布划分为一系列元胞。元胞的尺寸
式中:
由于粒子的动力学演化过程中,全局的时间步长、元胞尺寸可能不再合适(如:蒸发冷却过程中,一方面原子云尺寸不断减小,元胞尺寸相对于原子空间分布可能太大;另一方面原子云的温度降低,平均速率减小,时间步长太短使碰撞检验太频繁,影响运算速度),可采用可变局部参数的DSMC方法:如LATs(Locally Adaptive Time Steps)、LACs(Locally Adaptive Cells Steps)、LAIS(Locally Adaptive Importance-Sampling)等[39,41]。本文采用了LATs-DSMC方法模拟了双势阱中的原子转移过程,计算发现特定时间内右边势阱装载的原子数近似呈指数增长,即右侧阱内的原子数
式中:
3 结果与讨论
对于双阱的原子输运,左侧阱的初始原子数
图 2. (a)左侧势阱的初始原子数不同时,右侧势阱内原子数随时间的变化曲线。选取输运初始阶段(阴影内的曲线段,即10.9 msFig. 2. (a) The evolution of the atom number in the right sub-well with time, as the initial atom number in the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve at the beginning of transport (curve segment in the shadow, namely 10.9 ms
Fig. 2. (a) The evolution of the atom number in the right sub-well with time, as the initial atom number in the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve at the beginning of transport (curve segment in the shadow, namely 10.9 ms
由于PT对称量子体系的动力学要求原子数增益速率为非零常数,故着重研究右侧阱内原子数指数增长阶段,在10.9 ms到13.0 ms之间[即
式中:
式中
以上讨论发现初始原子数对输运中特定时间段内的转移效率有显著影响。此外,原子云的温度越低,平均速度越慢,所以左侧势阱内原子团的初始温度
图 3. (a)当改变左侧阱内原子云的初始温度时,总原子数(实线)和右侧阱原子数(虚线)随时间的变化。对阴影内的曲线段(即0.07×105Fig. 3. (a) The evolution of the total atom number (solid lines) and the atom number in the right sub-well (dashed lines) with time, as the initial temperature of the atomic cloud in the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve segment in the shadow (namely 0.07×105
Fig. 3. (a) The evolution of the total atom number (solid lines) and the atom number in the right sub-well (dashed lines) with time, as the initial temperature of the atomic cloud in the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve segment in the shadow (namely 0.07×105
对不同温度下,右侧阱内原子数
本文采取抬升左侧势阱底部以减小阱深的办法将原子从左侧转移到右侧阱中,下面研究不同抬升时间Δ
图 4. (a)左侧势阱变浅所用时间不同时,右侧势阱内的原子数变化。对阴影内的曲线段(即0.07×105Fig. 4. (a) The evolution of the atom number in the right sub-well with time, as the time of shallowing for the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve segment in the shadow (namely 0.07×105
Fig. 4. (a) The evolution of the atom number in the right sub-well with time, as the time of shallowing for the left sub-well is different. The gain of atom number can be obtained by fitting the curve segment in the shadow (namely 0.07×105
4 总结与展望
为了实现目标区域原子数指数型增长的输运过程,建立了简单的双势阱模型,利用使左侧势阱变浅的方法实现了双阱中的原子输运和原子数增益速率
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