一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的磁场单线圈的制作方法

本发明涉及量子混沌技术领域，尤指一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的磁场单线圈。

背景技术：

近些年来超冷原子系综是人们研究与关注的非常热门的方向之一，其中一个重要方面即超冷中性粒子的磁囚禁，例如超冷原子的量子混沌现象。薛定谔方程是线性的，原则上不会产生混沌。同时根据对应原理应该在量子力学中存在量子不规则运动，即混沌。目前实验上尚无直接证据证明量子力学存在这种量子不规则运动。量子混沌反映了系统对初始状态的敏感性，而实现量子混沌的实验中需要在原子的运动过程中平衡住原子的重力，不致使其在运动中落下来。在用于进行各种原子冷却如激光冷却蒸发冷却等的技术中，大多是使用元素周期表中原子质量数比较大的第一主族元素，如钾铷铯(39k，87rb，133cs)等，由于这些原子的重量较大，在实验中对原子的操纵较难长时间稳定住它们，通常是使用较复杂的线圈设计，如四极，ioffe-ptitchard，quic线圈等，但这些线圈的结构复杂，体积较大，所使用的电流通常达到十几甚至几十安培，这样一方面需要较繁杂的电路控制系统来提供线圈所需电流，另一方面较大的电流产生很多热量往往需要冷却线圈的装置，增加了实验的复杂度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺点，提供一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的磁场单线圈。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的圆台形磁场单线圈，包括x轴方向上的一对四级线圈、z轴方向上的ioffe线圈和y轴方向上的圆台形线圈；原子位于四级线圈、ioffe线圈和圆台形线圈构成的真空腔体内，且圆台形线圈固定在原子在y轴上的正下方；

x轴方向上：原子在x轴上受两个四级线圈提供的磁场力是方向相反的等力，此时原子在x上不受磁场力，因此原子在x轴上位移为：x＝0；

y轴方向上：圆台形线圈在原子附近处形成了一个谐振子势阱，原子受圆台形线圈在y轴上向上的磁场力；该磁场力用于平衡原子的重力；原子在y轴上位移为0，在y＝0处形成了一个谐振子势阱，根据

gf和mf分别为⁸⁷rb原子处于|f＝2，mf＝2|时的g因子和磁量子数；可计算出需要平衡重力的磁场一阶梯度；

磁场一阶梯度是用于平衡磁场对原子的束缚力；在y＝0附近，可将原子势能看成是简谐振子的势能，根据

其中m为原子⁸⁷rb的质量，ωy为y方向的束缚频率。通过计算得到ωy的束缚频率；

z轴方向上：由ioffe线圈提供的z轴磁场力，使得超冷原子处于z＝0.75cm的位置。

作为本发明的一种优选技术方案，真空腔体加在yoz平面上，真空腔体边缘处直径为200μm，可计算出真空腔体的边缘处磁场梯度的大小。

本发明提供一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的矩形磁场单线圈，包括x轴方向上的一对四级线圈和y轴方向上的矩形线圈；矩形线圈位于四级线圈之外且固定在四级线圈的上面；y轴方向的势场对原子束缚产生的束缚频率ωy，束缚频率ωy的大小分别与矩形线圈的初始位置、矩形线圈的初始半径有关。

本发明所达到的有益效果是：本发明基于超冷原子的真实实验平台系统，主要是平衡⁸⁷rb原子重力的单线圈磁场，所需的磁场电流仅需要几个安培，因为线圈的驱动电流较小；这里设计了两种不同结构的单线圈用于实现平衡重力，单线圈结构简单稳定，而且可对该方案的进行扩展改进，以适应不同的实验平台；而且设置的该设置方案适用于各种原子分子实验中，使用单线圈的设计来捕获平衡任何原子系综。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明圆台形磁场单线圈xoy平面结构示意图；

图2为本发明圆台形磁场单线圈xoz平面结构示意图；

图3为本发明圆台形磁场单线圈中原子因位置产生的磁场势能曲线图；

图4为本发明圆台形磁场单线圈中原子因位置产生的重力势能曲线图；

图5为本发明圆台形磁场单线圈中原子因位置产生的总势能曲线图；

图6为本发明圆台形磁场单线圈中原子在y＝0附近的总的受力曲线图；

图7为本发明圆台形磁场单线圈在x方向上的磁场梯度曲线图；

图8为本发明圆台形磁场单线圈在z方向上的磁场梯度曲线图；

图9为本发明矩形磁场单线圈xoy平面结构示意图；

图10为本发明线圈初始位置对原子束缚的影响效果图；

图11为本发明线圈的初始半径对对原子束缚的影响效果图；

图中标号：1、原子；2、四级线圈；3、圆台形线圈；4、ioffe线圈；5、真空腔体；6、电学平台；7、矩形线圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：如图1-8所示，本发明提供一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的圆台形磁场单线圈，包括x轴方向上的一对四级线圈2、z轴方向上的ioffe线圈4和y轴方向上的圆台形线圈3；原子位于四级线圈2、ioffe线圈4和圆台形线圈3构成的真空腔体5内，且圆台形线圈3固定在原子1在y轴上的正下方；实验上得到的超冷原子处于x＝y＝0，z＝0.75cm。重力方向为y轴方向。圆台形线圈3在真空腔体5内产生的磁场势能曲线，重力势能曲线及总势能曲线如图3-5所示：

在y方向上；

由于原子1受到重力作用，根据

其中μ为玻尔磁子，m为⁸⁷rb的质量，gf和mf分别为⁸⁷rb原子处于|f＝2，mf＝2|时的g因子和磁量子数。可计算出需要平衡重力的磁场梯度为15.2(g/cm)。实际在电流线圈中加入电流为2.6a时，可得到磁场的梯度为15.2(g/cm)。可看到在y＝0附近处形成了一个谐振子势阱，可用于平衡原子1的重力；原子在y＝0附近总的受力如图6所示，原子在y＝0点处的受力几乎为零，原子可以在小范围内自由活动，不至于束缚太紧。

但是，实际在量子混沌实验中，设计的线圈不能将bec囚禁太牢固，而是在各方向上能自由运动到真空腔体5的位置与之发生作用，所以除了考虑一阶磁场梯度用于平衡重力外，这里仍需考虑二阶梯度磁场，使之足够小不致将bec束缚过紧。

在y＝0附近将势能看成是简谐振子的势能，根据

其中m为⁸⁷rb的质量，ωy为y方向的束缚频率。通过计算得到ωy＝2.89hz×2pi，这对于200μm量子围栏是可以的。

由于真空腔体5加在yoz平面上，故需要考虑在z和x方向上的磁场梯度大小，并在图7-8两幅图，可看出这两个方向的磁场梯度都很小，根据线圈在x和z方向上的磁场梯度的大小，可以看到在x＝z＝0处，磁场梯度基本趋于0，不会对原子的自由运动产生束缚，不会影响量子混沌效应。同时，需要知道在真空腔体5的边缘处(200μm)磁场梯度的大小，根据计算得到其值为0.035(g/cm)，这个值较小可满足实验要求。但是超冷原子处于z＝0.75cm的位置，在此处磁场的一阶梯度为1.31(g/cm)，故将线圈沿着z轴移动了0.75cm，这样可使得原子处于z＝0位置处的磁场梯度下。

这里根据实际超冷原子实验装置设计了单个圆台形线圈3磁场梯度来平衡重力。当圆台形线圈3中通入2.6a的电流时，可得到平衡重力的梯度磁场。但是在量子混沌实验中需要考虑对原子1的束缚问题，经计算发现在y方向上这个束缚频率达2.89hz左右，这个值对于量子围栏是合适的。

实施例2：如图9-11所示，本发明提供一种用于量子混沌中实现平衡原子重力的矩形磁场单线圈；根据

因此要减少束缚频率，就需要减少初始位置qastart，增大初始半径qrstart。但是根据超冷原子装置的实际情况，若将矩形线圈7放置于真空腔的下面，则有qastart＞2.8cm，qrstart＜7cm。

在实验中，qastart＝2.9cm，qrstart＝2.8cm。按照上述理论，增大qrstart＝4cm，但是实际空间的大小决定了矩形线圈7必须向下移动，使得qrstart＝5cm。从而得到在电流为5.5a时，磁场的一阶梯度为15(g/cm)，束缚频率为2.7hz，并没有显著的减少。

根据实际空间位置，通过不断测试在不同的qrstart和qastart下，矩形线圈7可产生的磁场的梯度大小，结果是电流在增加，束缚频率并没有下降太多。

qrstart对束缚频率的影响更大，所以考虑增大qrstart以能减少束缚频率。但是其值受限于实际空间位置的限制最大只能为7cm。所以最终考虑将矩形线圈7放置于四级线圈2的外面，其位于四级线圈2之外且在上面，其中qrstart＝10.5cm，qastart＝3.2cm，且它的形状为矩形；当矩形线圈7中的电流为6.9a时，得到的一阶磁场梯度为15(g/cm)，用以平衡重力，而束缚频率为0.35hz，这个值较小可用于量子混沌实验，而且在y＝0处势阱比较平滑。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。