～（87）Rb-～（40）K玻色费米混和气体磁光阱的实验研究

【摘要】： 激光冷却与俘获技术的发展为开展量子气体研究提供了理想的冷原子源：双磁光阱真空系统方案为超冷原子研究提供了非常纯净的实验环境：Feshbach共振技术和光晶格技术为操纵与控制原子提供了强有力的技术手段，因此量子气体，包括简并费米气体(DFG)、玻色爱因斯坦凝聚(BEC)、玻色费米混和气体(BFM)等实验研究得到了快速发展。 DFG和BFM在实验上的实现为研究高温超导、强相互作用、超冷分子以及BEC-BCS交叉区域等许多物理问题提供了一个理想的研究平台，具有重要的研究意义。但是实现DFG的困难主要有两个方面；一是在研究要求的低温条件(＜1mK)下，费米原子之间的S波碰撞是禁止的，而蒸发冷却技术要通过原子之间的弹性碰撞来实现原子系统的冷却，因此在自旋极化的费米气体中蒸发冷却不能有效进行；二是能够用作激光冷却的费米原子种类很少，目前实现费米气体简并的原子主要是~(40)K和~6Li，少数研究组采用了~(173)Yb，~3He等。同步冷却技术引入了另一原子成分(不同自旋态、不同同位素或不同元素)克服了费米原子进行蒸发冷却的困难，通过两种原子成分之间的碰撞使整体得到冷却。 我们的工作首先是建立一套冷却~(40)K原子的实验装置，并在实现DFG的基础上进行相关研究工作。采用了水平放置的双磁光阱装置；采用玻色子~(87)Rb和费米子~(40)K作为工作原子。实验方案是：首先在第一级真空气室(Collection Cell)中对~(87)Rb和~(40)K进行激光冷却与俘获，得到两种原子的磁光阱(MOT)。然后使用推送光把冷原子推到第二级真空气室(Science Cell)中再一次进行MOT冷却与俘获。最后把冷原子样品装入磁阱中进行蒸发冷却，通过~(87)Rb和~(40)K之间的碰撞，实现~(87)Rb原子BEC和~(40)K原子DFG。 本论文的主要工作是建立了冷却~(87)Rb和~(40)K的实验装置，在此基础上通过激光冷却成功实现了两种原子的磁光阱，得到了需要的冷原子样品。这是国内首次完成的同时冷却与俘获两种原子的实验。双原子MOT作为实现DFG的第一步，为下一步DFG的最终实现打下了坚实基础。 本论文的主要工作及研究结果有以下几个部分； 1，建立了冷却~(87)Rb和~(40)K原子的激光器系统。采用三台外腔光栅反馈半导体激光器(ECDL)、四台注入锁定从激光器和一台半导体激光放大器(TA)组成激光系统。三台ECDL通过声光调制器产生四束光，分别作为~(40)K和~(87)Rb原子的冷却光和再抽运光，四束不同频率成份的激光分别注入锁定四台从激光器，然后~(87)Rb冷却光、~(40)K冷却光和~(40)K再抽运光再同时注入TA进行放大。该装置可同时产生冷却~(40)K和~(87)Rb原子的冷却光和再抽运光，结构紧凑，工作稳定。 实验中，采用饱和吸收技术与调制转移光谱技术实现了主激光器无调制频率锁定，把~(87)Rb和~(40)K冷却光与再抽运光的频率锁定在相应的能级跃迁线上。 实验中，自制了外腔光栅反馈半导体激光器(ECDL)、低温下宽范围可调谐半导体激光器、半导体激光放大器等器件。 2，~(40)K在自然界中的丰度很低(93.26％~(39)K，0.012％~(40)K，6.73％~(41)K)，限制了磁光阱俘获的原子数目，满足不了实验要求，我们自制了~(40)K含量比较高的钾源。 采用0.125mm厚的镍铬合金(80％镍，20％铬)制作了碱金属释放剂反应样舟。镍铬合金电阻率高，化学性质稳定。样舟设计独特，具有容积大、装载方便、反应材料不易洒落等许多优点。在样舟制作中使用了点焊技术。 以高纯金属钙(Ca，纯度99.99％)和~(40)K同位素丰度比较高的氯化钾(KCl，~(40)K含量6.2％)为反应物制作释放剂。反应物Ca和KCl在反应中要求是很细的粉末并且按照2：1的体积比混和均匀。整个制备过程都在手套箱中进行，手套箱先被抽成真空后再充入高纯氩气，为反应物的制备提供了一个高纯的制作环境。 对自制的~(40)K原子释放剂进行了测试。该释放剂能够有效地释放出钾原子，满足了实验的要求。 3，采用机械分子泵机组、溅射离子泵、钛升华泵、吸气剂泵、真空电离规及一批真空组件等设计搭建了水平结构的两级超高真空系统。将实验需要的铷源(预制备的金属铷泡)和钾源(自制的释放剂)安装在系统上，经过抽真空过程得到了预期的真空度指标。第一级真空气室(Collection cell)的真空度为2×10~(-7)Pa，第二级真空气室(Science cell)的真空度为3×10~(-9)pa。 4，实现了~(87)Rb和~(40)K两种原子的磁光阱，得到了初步冷却的原子样品，为实现~(40)K DFG和~(87)Rb BEC奠定了基础。在~(87)Rb MOT中，得到的原子数约为10~8—10~9个；在~(40)K MOT中，得到的原子数约为10~7—10~8个。当两种原子的MOT同时存在时，由于激光功率的相对减小、真空度的降低以及冷原子内部的碰撞损耗，俘获的原子数会减少。