中文摘要：

在稀薄气体凝聚体中获得量子涡旋已经被认为是凝聚体具有超流性质的证据。由于它的低密度特性，稀薄气体凝聚体中的量子涡旋在理论上比较容易处理。同时，稀薄气体凝聚体中的涡旋核的直径比氦II中的大3倍，而且在实验上我们可以用自由飞行的方法将其展开，所以涡旋的尺寸可以足够大，非常方便我们采用光学手段来探测它。基于上述原因,稀薄气体凝聚体成为了研究量子涡旋的一种非常好的介质载体。本项目以87Rb原子的冷却过程为核心,开展在稀薄气体凝聚体系统中制备量子涡旋态的实验研究。在实验上通过调节原子自旋态制备时量化轴的方向相对QUIC阱轴向的相对位置，改变射频蒸发的时间、蒸发功率等参数来获得87Rb凝聚体中的量子涡旋。并进一步将量子涡旋装载到一维光学晶格中，研究其量子特性。通过本项目的开展，将为在实验上探索普适的相变行为提供一种简便的途径。

结论摘要：

超流是量子物理世界中非常重要的一个概念。它是无摩擦的流体，是单个量子态宏观占据的后果。区别于正常流体，超流具有无耗散流动的特征；这种〝永恒流〞与稳定的量子涡旋相关。对于正常流体，如果我们将其放在一个旋转的容器中，达到稳态时，流体将和容器作为一个整体一起旋转。但是对于超流情况完全不同——对于小的旋转频率，在超流中没有运动被观测到；而在关键频率以上，一些奇点将会出现在它的速度场中。这些奇点被称为量子涡旋，它们与速度的量子环路相对应，其相位围绕涡旋核旋转2π弧度的整数倍。人们首次发现超流是在液氦-Ⅱ中，随后，在稀薄碱金属凝聚体中也发现了超流的特征。相比于氦-Ⅱ，在稀薄气体的凝聚体中研究量子涡旋（超流的主要拓扑特征）具有很大的优势涡旋核的直径具有更大的尺寸(比氦-Ⅱ中的涡旋核大三个量级),再经过自由飞行膨胀后,涡旋核的尺寸足以大到使得我们可以用光学成像方法直接观测它。在稀薄碱金属凝聚体中，涡旋可以通过直接操纵量子相位截面的方法产生,例如相位印制；也可以采用动力学的方式产生，例如，激光搅动凝聚体和旋转囚禁势；还可以采用合并多个凝聚体方式以及通过量子湍流演化和孤子衰减的方式产生。本项目对QUIC磁阱中87Rb凝聚体形成量子涡旋的实验机制进行了系统的研究，并在实验上采用两种实验方案分别实现了87Rb凝聚体中的量子涡旋。方案一是采用通过控制87Rb原子的不同自旋态的布局数使87Rb原子在蒸发冷却的过程中自发的凝聚体到量子涡旋；该方案是项目申请书中提出的主要实验方案。在利用该方案实现量子涡旋时，我们还观测到了两个自旋态的玻色爱因斯坦凝聚。方案二是采用在蒸发冷却过程中耦合角动量的方法使凝聚体中产生量子涡旋。利用该方案产生量子涡旋时，我们还观测到了凝聚体的剪刀模式。另外，在该项目的支持下，我们还完成了（1）混合势阱中同时实现双种族原子（87Rb和23Na）的玻色爱因斯坦凝聚；（2）一维光学晶格系统中凝聚体的量子相位涨落的测量等工作。本项目的执行为我们深刻地理解超流相干性质的演化提供一个很好的实验基础；也使我们认识到87Rb凝聚体作为超流仅能通过量子涡旋的方式支持流体的旋转。