强耦合物理国际研究实验室
Strong Coupling Physics International Research Laboratory
 
一、简介
 
       强耦合物理国际研究实验室由2016年引进的国际知名核实验物理学家、国家千人计划入选者王福强教授领导,主要研究由高能核物理重离子碰撞产生的类似宇宙大爆炸后的初始状态,以及由此引申的包括多个其它科学领域的强耦合物理。
 
       在不断加深与国内外机构和大型实验室合作研究的背景下,强耦合物理国际研究实验室于2017年6月的开始本部实验室的冷原子实验平台和离子阱实验平台,分别开展基于冷原子和离子阱技术的高能核物理模拟研究。本部实验室位于湖州师范学院理学院1号楼1楼,总建筑面积600平米,包括一个离子阱室、一个冷原子室、两个准备室及相关功能室。本部研究团队共有固定人员 10 人,包括教授2人,副教授4人,副研究员1人,助理研究员1人,实验员以及秘书各1人。
 
二、研究方向和内容
 
       1. 高能原子核碰撞实验和夸克胶子等离子体性质研究
 
       利用美国BNL相对论重离子对撞机(RHIC)上的一个大型高能核物理实验装置STAR和俄罗斯联合核研究所(JINR)正在建造的多功能大型实验装置NICA-MPD,重点开展对量子色动力学中由夸克与拓扑胶子场相互作用引起的夸克物质手征破缺这一重要科学问题的手征磁效应研究;利用RHIC能量扫描研究QCD临界点这一强相互作用领域的关键科学问题、对于中子星产生机制有重要影响的中子皮厚度测量方面的研究。
 
       2. 冷原子和离子阱技术应用于高能核物理模拟
 
       利用冷原子实验平台和离子阱实验平台,通过调节冷原子和离子体系的各项参数,观测体系从阱中释放后的扩散行为来模拟研究重离子碰撞体系中产生各向异性流的成因机制。已建成超冷原子实验平台一个。利用该平台,团队已经实现在光学偶极阱中囚禁 6Li 原子的自旋混合气体,并将其温度冷却到 1 μK 以下;正在开展利用 Feshbach 共振技术,大范围调节冷原子系统的相互作用和空间各向异性,通过吸收成像观测参数被精确调节的冷原子体系从阱中释放后的扩散动力学,类比研究重离子碰撞系统中各向异性流的成因机制。
 
三、实验室建设
 
    冷原子实验平台建设:自2017年6月开始,历时三年半建成。利用该平台的磁光阱,可以稳定的制备 6Li 冷原子气体样品。样品总原子数超过5亿个,温度低于300百万分之一开尔文(300 μK);实现了将大约 106 个冷原子从磁光阱转移到光学偶极阱,制备冷费米子自旋混合气体;利用外磁场调节不同自旋态原子间的相互作用,实现了蒸发冷却制备温度低于1 μK,密度高于1013 cm^(-3) 的量子混合气体。我们将在此基础上开展利用 Feshbach 共振技术调节超冷费米气体的相互作用,模拟研究高能重离子碰撞物理中的基础科学问题,或开展其它有关量子信息技术和模拟凝聚态物理方面的应用研究。在平台建设以及团队在国际合作研究中取得众多突出成果的基础上,2020年浙江省科学技术厅将我们研究团队的 “强耦合物理国际研究实验室”认定为“浙江—塞尔维亚强耦合物理联合实验室”。
 
        冷原子实验平台包括以下组成部分:
 
       ● 完全自主地设计和建设整套冷原子超高真空系统。它包括一个超高真空主腔(10^(-9) pa),和与之通过减速真空管实现连通和差分的锂6原子炉。
 
       ● 完全自主地设计和建设整套冷原子光学系统。包括实现窄线宽半导体激光器的频率锁定,将激光的长期线宽压窄到 0.5 MHz以下;精确和高速控制激光频率和强度的光学、光电和电磁线圈系统等。
 
       ● 完全自主设计和编写基于LabVIEW编程环境的冷原子实验自动控制和数据采集处理的软件系统。软件系统包括一个综合性实验系统调试程序,一个时序控制程序和一个数据处理程序。三个程序被有机的整合在一起成为冷原子实验平台的时序控制和数据处理软件。
 
图-1 强耦合物理国际研究实验室文化墙。

 
 
图-2 磁光阱的局部光路。
 

图-3 超高真空系统前视图

 

图-4 时序控制程序主界面
 

图-5 自动控制系统调试程序主界面


 
图-6 数据处理程序界面
    

图-7 冷原子实验集成控制柜
      

图-8 外围电子电路


 
图-9 磁光阱中囚禁的一团 6Li 冷原子稀薄气体 


图-10 磁光阱和压缩磁光阱中的冷原子温度。利用磁光阱获得的冷原子样品,其温度~1.6 mK;采用压缩磁光阱技术,实现将冷原子云的温度降低到略低于300微开,同时将原子云的中心密度提高到8×1010 cm-3以上。


 
图-11 从光学偶极阱中释放的自由膨胀超冷原子云。两个自旋分量总原子数为7×105,温度为0.5 μK (T/TF ~ 0.35)。利用吸收成像探测超冷原子云在外磁场为900 G条件下,观测到自由膨胀的原子云纵横比反转。