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----冷原子精密测量

发布时间:2014-09-10          来源:admin           浏览次数:

一、团队成员

团队PI:胡忠坤 教授(zkhu@hust.edu.cn)

固定研究人员:邵成刚教授,周敏康副教授(zmk@hust.edu.cn) ,曹鲁帅副教授,段小春博士,李霖教授 

博士后研究人员:孙榕博士、柯毅博士、孙石达博士、陈乐乐博士、邓小兵博士、谈玉杰博士

博士研究生:崔嘉丰、徐耀耀、毛德凯、罗覃、熊峰、徐文杰、张柯、程源、谈玉杰、张恒、邓星、漆坤、

            张炯阳、骆华清、高祥、张涛、刘露、王盼盼、方雪婷、朱倩茹、刘杰

硕士研究生:赵苗苗、周航、张竞月、蔡亚芬、程玲、徐发、陈守龙、李绍俊

 

 

二、主要研究领域

    冷原子分子精密测量物理是20世纪90年代发展起来的前沿物理科学,涵盖精密谱与精密干涉仪等方向。AIM(Atom Interferometry for Precision Measurements)课题组主要利用微观粒子的波动性研究物质波干涉仪,并利用物质波干涉仪作为工具,进行高精度原子重力测量仪器研制、基本物理规律检验等精密测量物理研究。其目的是解决国家重大需求的同时,探讨物理学的基本科学问题。主要研究方向有:

  原子干涉精密测量研究

冷原子干涉是本课题组的基本研究技术手段,也是我们的主要研究内容,主要包括:物质波干涉理论与实验、新型原子干涉仪研究、冷原子喷泉实验研究、高可靠性激光物理技术研究等。 

 ② 原子干涉重力仪器研制

   重力加速度g是地球物理场的重要参数,随地点和时间而变化。对地球重力场的实时实地的高精度测量,对于地球物理、自然资源勘探、精密测量学具有重要的科学意义。原子干涉重力仪\梯度仪利用冷原子作为理想检验质量,同时利用原子物质波的相干性来测量重力势能的变化,从而获得重力加速度的信息。原子重力仪具有精度高、可连续测量的优点,有望成为“精密重力测量重大综合设施”的关键仪器,因此高精度、可搬运的原子重力仪、重力梯度仪是本课题组的优先发展方向之一。

③ 原子惯性传感器研究

   原子干涉仪既可以高精度的测量平动加速度,又可以测量平台的转动加速度,因此可以作为惯性传感器。 

④ 原子干涉仪检验基本物理规律研究

   利用原子干涉仪测量万有引力常数G、检验后牛顿引力参数等。

⑤ 冷原子分子相关的其他物理问题研究

   原子干涉磁力计、冷分子制备、原子与光相互作用等量子光学问题研究。

 

三、主要研究进展与成果

     课题组经过数年持续不断的研究,基本度过了实验平台的初期建设阶段。目前拥有400多平米的山洞超净实验室,搭建了数台冷原子物质波干涉仪,其中2台原子重力仪已经取得了初步实验结果,实现了10-10g水平重力测量分辨率的突破。 

图1本课题组的第一台原子重力仪(PRA,86,043630,2012)

      图1左图是本课题组的第一台87Rb原子干涉仪,包含3D磁光阱、原子喷泉、原子干涉、超低频主动隔振平台等部分。图1右图是该原子重力仪记录的潮汐数据,对其进行Allan方差分析表明该重力仪的分辨率达到了5.5×10-8g/Hz1/2。详见PRA,86,043630,2012。

 

图2改进后本课题组的第二台原子重力仪(PRA,88,043610,2013)

     图2是经过改进后,我们重新设计的第二台原子干涉重力仪。与第一台重力仪相比,新的原子干涉仪对Raman光相噪进行了进一步压低,降低了Raman光相噪对重力测量的影响;增大原子装载率到1010/s,进而增大了干涉信号,降低了探测噪声的影响。经过多次改进,本课题组的第二代原子干涉重力仪分辨率达到4.2×10-9g/Hz1/2,经过100s的积分后达到0.42×10-9g,比Stanford大学朱棣文小组的原子重力仪分辨率好两倍。就测量分辨率而言,本课题组的原子干涉重力仪已经达到世界上同类型重力仪的最好水平。详见PRA,88,043610,2013。

图3课题组研制的原子重力梯度仪(PRA,90,023617,2014)

     图3是课题组在第一套原子干涉重力仪基础上,上抛两团同步下落的冷原子,采用条纹锁定技术实现的重力梯度测量,实验结果表明重力梯度测量分辨率达到670E/Hz1/2,经过100s的积分后达到67E。详见PRA, 90, 023617,2014。

    原子重力仪是我们实验室重力测量基准的基本设备,也是本课题组的优先发展方向。目前我们正在对重力仪的系统误差进行分析,同时也正在研制可搬运的小型化原子干涉重力仪。

     等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设,几乎所有试图将引力和其他三种基本相互作用联系起来的理论都要求等效原理破缺。等效原理的实验检验趋势分两大方向:一是在传统方法的基础上不断提高实验精度以检验引力质量与惯性质量的等效性;二是采用新技术和新思路以引入新物理内涵来检验不同物理效应可能引起的等效原理破缺(PRL 117,023001,2016)。围绕“物质结构和组份相同、但其转动状态不同的物体在引力场中下落加速度是否相同”这一问题,课题组提出采用冷分子检验旋转物体等效原理的新概念和实验方法,分析论证了分子转动态极化、分子喷泉和不同转动态分子下落加速度测量的实验方案(详见CPL 29,080401,2012)。该方法的创新点在于:相对宏观物体,分子的转速更高、尺度更小,对探测时空是否存在挠率的物理效应更显著。为了冷却分子,课题组提出了微波晶格减速冷却分子的方法,其创新点在于利用移动微观晶格作用于分子的一阶Stark效应,从而克服了传统Stark减速中电极快速切换和光学减速中采用二阶Stark效应效率低的缺点(详见PRA, 89, 053428,2014)。


四、论文发表情况


2017:

1. Phys. Rev. A, Quantum  tiltmeter with atom interferometry, Wen-Jie Xu, Min-Kang Zhou*, Miao-Miao Zhao, Ke Zhang, and Zhong-Kun Hu*

2. Phys. Rev. Applied, Rotation detection using the precession of molecular electric dipole moment, Yi Ke, Xiao-Bing Deng, and Zhong-Kun Hu*

3. Chin. Phys. B, 26(4), 043702 (2017), Common-mode noise rejection using fringe-locking method in WEP test by simultaneous dual-species atom interferometers, Xiao-Bing Deng,Xiao-Chun Duan, De-Kai Mao, Min-Kang Zhou, Cheng-Gang Shao and Zhong-Kun Hu*

4. Phys. Rev. D, 95, 024002 (2017), Relativistic effects in atom gravimeters, Yu-Jie Tan, Cheng-Gang Shao* and Zhong-Kun Hu*

5. Phys. Rev. A, 96, 023604 (2017), Time delay and the effect of the finite speed of light in atom gravimeters, Yu-Jie Tan, Cheng-Gang Shao* and Zhong-Kun Hu*

6. AIP Advance, 7, 095211 (2017), Low-phase noise and high-power laser for Bragg atom interferometer, Yuan Cheng, Ke Zhang, Le-Le Chen, Wen-Jie Xu, Qin Luo, Min-Kang Zhou* and Zhong-Kun Hu*

7. Chemical Physics, 482,303–310 (2017), Collective excitations of dipolar gases based on local tunneling in superlattices, Lu-shuai Cao, Simeon I. Mistakidis, Xing Deng, Peter Schmelcher

8. JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 147, 044106 (2017), A unified ab initio approach to the correlated quantum dynamics of ultracold fermionic and bosonic mixtures, Lu-shuai Cao, V. Bolsinger, S. I. Mistakidis, G. M. Koutentakis, S. Kroenke, J. M. Schurer, and P. Schmelcher


2016:

1. Test of the Universality of Free Fall with Atoms in Different Spin Orientations, Physical Review Letters , 117, 023001 (2016), Xiao-Chun Duan, Xiao-Bing Deng, Min-Kang Zhou, Ke Zhang, Wen-Jie Xu, Feng Xiong, Yao-Yao Xu, Cheng-Gang Shao, Jun Luo, and Zhong-Kun Hu*

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.023001

国内外对该工作的相关报道:

       Physics: Skydiving Spins

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.117.023001

      Cosmos: Gravity tested for the first time with quantum spin

https://cosmosmagazine.com/physics/gravity-shrugs-off-differences-of-quantum-spin

      Ars Technica: Gravity doesn’t care about quantum spin

  http://arstechnica.com/science/2016/07/gravity-doesnt-care-about-quantum-spin/

   华中大新闻网:物理学院胡忠坤团队等效原理检验方面取得重要进展

      http://news.hustonline.net/article/96225.htm

2. Effect of the Gaussian distribution of both atomic cloud and laser intensity in an atom gravimeter, Physical Review A, 2016, 93, 053615, Min-Kang Zhou, Le-Le Chen, Qin Luo, Ke Zhang, Xiao-Chun Duan, and Zhong-Kun Hu*

3. Observing the effect of wave-front aberrations in an atom interferometer by modulating the diameter of Raman beams, Physical Review A, 2016, 93, 043610, Min-kang Zhou, Qin Luo, Le-le Chen, Xiao-chun Duan, and Zhong-kun Hu*

4. Dynamical generation of topological magnetic lattices for ultracold atoms, Physical Review Letters, 116, 143003 (2016), Jinlong Yu, Zhi-Fang Xu*, Rong Lü, and Li You

5. Atomic multiwave interferometer for Aharonov-Casher-phase measurements, Physical Review A,  2016, 93, 023641, Min-Kang Zhou, Ke Zhang, Xiao-Chun Duan, Yi Ke, Cheng-Gang Shao, and Zhong-Kun Hu*

6. Low chromatic aberration hexapole for molecular state selection, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2016, 49, 025101, Yi Ke, Xiao-Bing Deng and Zhong-Kun Hu*

7. A general relativistic model for free-fall absolute gravimeters, Metrologia 53, 846–852 (2016), Yu-Jie Tan, Cheng-Gang Shao, Jia Li and Zhong-Kun Hu*


2015:

1. Micro-Gal level gravity measurements with cold atom interferometry,Chin. Phys. B, 2015, Vol. 24, No. 5 050401, Zhou Min-Kang(周敏康), Duan Xiao-Chun(段小春), Chen Le-Le(陈乐乐), Luo Qin(罗覃), Xu Yao-Yao(徐耀耀), and Hu Zhong-Kun(胡忠坤) *

2. Note: A three-dimension active vibration isolator for precision atom gravimeters, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 2015, 86, 046108, Min-Kang Zhou, Xin Xiong, Le-Le Chen, Jia-Feng Cui, Xiao-Chun Duan, and Zhong-Kun Hu

3. Noise limit of a torsion pendulum under optomechanical control, Physical Review A, 2015, 92, 032131, Yu-Jie Tan, Zhong-Kun Hu and Cheng-Gang Shao

4. Search for Lorentz invariance violation through tests of the gravitational inverse square law at short ranges, Physical Review D, 2015, 91, 102007, Cheng-Gang Shao, Yu-Jie Tan, Wen-Hai Tan, Shan-Qing Yang, Jun Luo and Michael Edmund Tobar

5. The speed of light perturbation in absolute gravimeters from the viewpoint of‘relativistic geometry’, Metrologia, 2015, 52, 324–329, Cheng-Gang Shao, Yu-Jie Tan, Jia Li and Zhong-Kun Hu.

6. Investigating the frequency-dependent amplification of a tapered amplifier in atom interferometers. Optics Letters, 2015, 40, 1,Su Zhan, Xiao-Chun Duan, Min-Kang Zhou, Hui-Bin Yao, Wen-Jie Xu, and Zhong-Kun Hu*

7. Note: Directly measuring the direct digital synthesizer frequency chirp-rate for an atom interferometer, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 2015, 86, 096108, Juan-Juan Tao, Min-Kang Zhou*, Qiao-Zhen Zhang, Jia-Feng Cui, Xiao-Chun Duan, Cheng-Gang Shao, and Zhong-Kun Hu*

8. Contrast decay in a trapped-atom interferometer, Physical Review A, 2015, 91, 053616, A. Hilico, C. Solaro, Min-Kang Zhou, M. Lopez, and F. Pereira dos Santos

9. Raman-pulse-duration effect in gravity gradiometers composed of two atom interferometers, Physical Review A, 2015, 92, 053613, Cheng-Gang Shao, De-Kai Mao, Min-Kang Zhou, Yu-Jie Tan, Le-Le Chen, Jun Luo, and Zhong-Kun Hu* 

 

2014:

1. Operating an atom-interferometry-based gravity gradiometer by the dual-fringe-locking method, Physical Review A, 2014, 90, 023617, Xiao-Chun Duan, Min-Kang Zhou, De-Kai Mao, Hui-Bing Yao, Xiao-Bing Deng, Jun Luo, and Zhong-Kun Hu*

2. Decelerating polar molecules using traveling microwave lattices, Physical Review A, 2014, 89(5), 053428-1-053428-5, Zhong-Kun Hu*, Yi Ke, Jin-Bo Zhao, Xiao-Bing Deng, and Jun Luo


2013:

1. Demonstration of an ultrahigh-sensitivity atom-interferometry absolute gravimeter,Physical Review A, 2013, 88,043610,Zhong-Kun Hu*, Bu-Liang Sun, Xiao-Chun Duan, Min-Kang Zhou, Le-Le Chen, Su Zhan, Qiao-Zhen Zhang, and Jun Luo


2012:

1.  Performance of a cold-atom gravimeter with an active vibration isolator Physical Review A, 2012, 86, 043630, Min-Kang Zhou, Zhong-Kun Hu*, Xiao-Chun Duan, Bu-Liang Sun, Le-Le Chen, Qiao-Zhen Zhang, and Jun Luo

2. Proposed Test of the Equivalence Principle with Rotating Cold Polar Molecules, Chinese Physics Letters, 201208, 29(8),  080401-1-080401-4, Hu Zhong-Kun(胡忠坤)*, Ke Yi(柯毅), Deng Xiao-Bing(邓小兵), Zhou Ze-Bing(周泽兵), Luo Jun(罗俊)


2011:

1. Simultaneous differential measurement of a magnetic-field gradient by atom interferometry double fountainsPhysical Review A, 201184013620Zhong-Kun Hu*, Xiao-Chun Duan, Min-Kang Zhou, Bu-liang Sun, Jin-Bo Zhao and Jun Luo


2010:

1. Precisely mapping the magnetic field gradient in vacuum with an atom interferometer, Physical Review A, 2010, 82, 061602R, Min-Kang Zhou, Zhong-Kun Hu*, Xiao-Chun Duan, Bu-liang Sun, Jin-Bo Zhao and Jun Luo


2009:

1. Experimental progress in gravity measurement with an atom interferometerFrontiers of physics in China2009, 04, 170, Min-Kang Zhou, Zhong-Kun Hu*, Xiao-Chun Duan, Bu-liang Sun, Jin-Bo Zhao and Jun Luo 

 

 

 

 

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