[论文解读] Experimental realization of double Bragg diffraction: robust beamsplitters, mirrors, and interferometers for Bose-Einstein condensates

J. Küber, F. Schmaltz+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 6

一句话总结

该论文首次在玻色-爱因斯坦凝聚体（BECs）中实现了双布喇格衍射的实验验证，采用单光路配置，通过全反镜反射的正交偏振光束相干耦合三个动量态（$|0\hbar k\rangle$，$|\pm 2\hbar k\rangle$）。该方法实现了高达99%的分束效率，并展示了具有相位调制干涉图案的拉姆齐型干涉测量，确立了双布喇格衍射作为物质波干涉测量中一种稳健且可扩展的工具。

ABSTRACT

We present the experimental implementation of double Bragg diffraction of Bose-Einstein condensates (BECs) as proposed in [E. Giese, A. Roura, G. Tackmann, E. M. Rasel, and W. P. Schleich, Phys. Rev. A extbf{88}, 053608 (2013)]. We excite Rabi oscillations between the three coupled momentum states $\left| 0 \hbar k ight angle$ and $\left| \pm 2 \hbar k ight angle$. By selecting appropriate interaction times we generate highly efficient beamsplitters and mirrors for Bose-Einstein condensates. In addition, we demonstrate higher-order double Bragg diffraction and display beamsplitters with up to $ \pm 6 \hbar k$ momentum transfer. We compare double Bragg diffraction to several other experimental realizations of beamsplitters. Finally, we show that double Bragg diffraction is well suited for matter wave interferometry by realizing a Ramsey-type interferometer in a quasi one-dimensional waveguide.

研究动机与目标

• 在超冷原子和BECs中实验演示双布喇格衍射，作为传统分束器的稳健替代方案。
• 实现高效率、对称的动量态耦合，以支持物质波干涉测量。
• 从效率、复杂性和控制性等方面，将双布喇格衍射与其它方法（三频布喇格、驻波光晶格）进行比较。
• 利用双布喇格衍射实现并验证拉姆齐型干涉仪，用于相位敏感测量。
• 探索更高阶衍射（最高至$\pm 6\hbar k$），并实验验证理论预测。

提出的方法

• 双布喇格衍射通过两个正交偏振光束实现，其频率差为$\Delta\omega$，经四分之一波片和镜子全反射后形成两个相向传播的移动光晶格。
• 系统通过有效拉比频率$\Omega_{\text{eff}}$控制的拉比振荡机制，耦合三个动量态$|0\hbar k\rangle$、$|+2\hbar k\rangle$和$|-2\hbar k\rangle$。
• 理论动力学通过平均法建模，得到描述动量态间相干布居转移的时间演化矩阵。
• 施加$\pi/2$脉冲序列以制备相干叠加态，并控制波包的相对相位与空间分离。
• 通过在可变延迟$T$后进行吸收成像测量干涉相移，观测到具有两个不同周期的干涉条纹。
• 系统在准一维波导中运行，以抑制横向运动并增强干涉测量的相位相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在BEC中通过单输入光路配置，以高效率和鲁棒性实现双布喇格衍射？
• RQ2 双布喇格衍射的效率与保真度相较于三频布喇格衍射和驻波光晶格方案如何？
• RQ3 能否以受控方式在双布喇格衍射中实现更高阶动量转移（最高至$\pm 6\hbar k$）？
• RQ4 能否利用双布喇格衍射实现具有可测量相位敏感干涉条纹的拉姆齐型物质波干涉仪？
• RQ5 干涉仪中的主要非理想因素是什么？它们如何影响条纹可见度和条纹周期？

主要发现

• 实验实现了第一阶双布喇格衍射的最大联合效率达99%，将原子转移至$|\pm 2\hbar k\rangle$动量态。
• 第二阶衍射在$|\pm 4\hbar k\rangle$态中实现了77%的效率，其余部分占据$|\pm 2\hbar k\rangle$态。
• 第三阶衍射将74%的原子转移至$|\pm 6\hbar k\rangle$态，其余残余布居分布在较低动量态。
• 拉姆齐型干涉仪产生三峰密度分布，具有两个不同的干涉周期，分别对应于相对动量$\Delta p = 2\hbar k$和$\Delta p = 4\hbar k$，证实了相干叠加。
• 对干涉条纹的拟合结果与基于波包分离$\Delta x(\Delta p)$的理论预测的条纹周期一致，验证了相位控制能力。
• 双布喇格衍射被发现比三频布喇格或驻波光晶格方案更具鲁棒性和效率，具有更简单的装置结构和更好的可扩展性。