一个理想的冷原子实验平台

冷原子物理有许多技术由于应用广泛，现在被大规模采用。一个问题是，如果你想建一个冷原子实验室，你会想建一个怎样的实验平台。这是一个很有趣的例子。最近的很多实验装置集成了许多最新的技术，很有启发作用。

日本YoshiroTakahashi小组的Yb实验平台就是这样一个例子（J. Phys. Soc. Japan 83,014301 (2014)。整个实验基础设计非常好，集成了许多新技术，因此实验也取得很多成绩。我们可以看看他们实验集成的一些新技术。

1, 光晶格。光晶格现在已经是冷原子研究中非常通用的技术了。由于光晶格的存在，原子的热运动被抑制，系统剩下的占支配地位的能级尺度就是相互作用了。因此光晶格是研究原子间相互作用的非常好的平台。Takahashi小组研究了Yb在三维光晶格中的dualMott insulators, Yb SU(6) Mott insulators等等。

2，二维系统。维度在物理中有很重要的作用，有时候会极大地改变系统的性质。他们在Yb实验中实现了二维量子气体。用两束激光，成一定夹角交叠，形成一维光晶格。由于交叠夹角很小，因此晶格间距离很大（4.9um）。这样就形成了一系列二维量子系统。

图1：二维量子气体结构。

3，二维光晶格。在二维系统上，再加上光晶格，这样就可以研究二维系统的光晶格问题。这样可以研究新维度下的物理现象。

图2：二维光晶格光路图。

4， In situ image. Quantum gasmicroscope对冷原子研究来说是一个巨大的技术进步，现在越来越多的小组意识到高分辨成像系统的好处。当然，有些系统比较难做单晶格位置成像。Takahashi小组用的是532nm的激光，因此光晶格间距离是阿266nm，这样的成像分辨率目前还没法做到。他们的目标是实现亚um的分辨率。他们现在在朝这个目标推进

图3：In situ成像

5，不同同位素的切换。他们可以同时实现Yb 170，173，174三种同位素的量子态。

6，钟实验。这个在Takahashi实验中还没有，他们用的是532nm激光。Yb¹⁷³的“魔术波长”是579.354nm，“魔术波长”的好处是差分光平移被消除。最近的I. Bloch小组的Yb实验（arXiv:1403.4761v1）就用到Yb的钟实验。当然，他们的钟跟正统的钟还没法比，他们的限制在激光，超稳腔上锁定的激光绝对稳定度大概40Hz（正统钟实验常常在亚Hz量级）。但是这个稳定度足以让他们探测很多新的物理现象。他们探测到Yb散射的SU（N）对称性不确定小余0.9%，由实验的误差所限制。这是一个非常强的statement。

图4：SU（N)对称性。

当然，物极必反，成熟也意味着衰落。科学目的还是在探索，发展新的技术。另一方面，只有在现有技术上夯实基础，上才能更进一步。