[发明专利]一种基于主动控制的BEC量子涡旋陀螺实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于主动控制的BEC量子涡旋陀螺实现方法，适用于基于气态BEC的新概念量子涡旋陀螺的设计研究。

技术背景

自1850年法国物理学家莱昂·傅科发现并命名陀螺仪以来，陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在航海、航空、航天、导弹、汽车等领域都有广泛的应用。传统的机电陀螺仪和基于sagnac效应的激光陀螺仪、光纤陀螺仪的精度、灵敏度的提高和体积、重量、功耗的小型化之间存在矛盾，已进入精度和灵敏度的发展瓶颈。

近年来量子物理学和低温物理学领域的快速发展，带来了革命性的影响，出现了一系列超高精度超高灵敏度的量子陀螺仪，引起了欧美等发达国家的重视。美国国防部先进计划研究署制定了“精确惯性导航系统”(PINS)，将以量子效应为核心的量子惯性传感技术视为下一代主导惯性技术。按照机理和运动方式，量子陀螺可分为量子自旋陀螺、量子干涉陀螺和量子涡旋陀螺。量子自旋陀螺具有高精度和小型化的优良特性，但是原子之间或分子之间不可避免的存在摩擦和碰撞，影响和制约了其精度和灵敏度。量子干涉陀螺具有很高的理论精度，有广泛的应用前景，但其灵敏度和精度与干涉回路的面积密切相关，因此存在着体积和灵敏度及精度之间的矛盾。

1995年，受控Rb原子稀薄气体玻色-爱因斯坦凝聚态的实验实现，标志着气相原子玻-爱凝聚态的实现，即可通过磁光TOP势阱实现对气态碱金属原子的囚禁，势阱可操控内部气体原子团产生涡旋，具有陀螺的定轴性和进动性。相对基于液氦的量子干涉陀螺，冷原子气体纯净、稀薄，利于检测，相互作用易于描述，而液氦是强相互作用液体，浓度高，氦原子相互作用非常复杂，不利于实验实现；基于气态BEC的量子涡旋陀螺可实现量子的高密度，便于小型化；量子涡旋特性回归了原子的粒子性，克服了干涉陀螺的粒子特性对波动特性测量精度带来的问题；量子涡旋陀螺可以实现两自由度的测量，而干涉陀螺只能实现一个自由度的测量，因此基于气态BEC的量子涡旋陀螺比量子干涉陀螺具有更大的优越性。至今国外学者对基于直流约瑟夫森效应、交流约瑟夫森效应的量子陀螺的研究已相对成熟，美国加州大学伯克利分校和哈佛大学已经设计出原理装置。而基于气态BEC的量子涡旋陀螺仍有待发展。

现今，国外对基于气态BEC的量子涡旋陀螺的研究仍停留在对BEC涡旋气体原子团的进动机理的深入探索，少有对其陀螺实现方法的研究。而国内对基于气态BEC的量子涡旋陀螺的研究刚刚起步，亟待发展。对于基于气态BEC的量子涡旋陀螺实现方法，由于现有检测技术的制约，直接检测其动量矩难以实现，但直接检测角度易于实现。因此探索研究基于主动控制的BEC量子涡旋陀螺的原理机制和实现方案具有重要意义和极高的应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服基于液氦的量子陀螺难以操控的不足，大幅提高量子陀螺的精度和灵敏度；针对直接利用涡旋进动产生动量矩解算平台角速率存在的难以检测的问题，提出了基于主动控制的BEC量子涡旋陀螺实现方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于主动控制的BEC量子涡旋陀螺实现方法，是基于对磁光势阱中涡旋气体原子团的产生机理、进动规律、振荡参数的研究，在平台出现转动时，对涡旋原子团的振荡角度和进动参数实时检测，根据检测参数调节磁光势阱的电流参数控制囚禁的涡旋原子团与势阱保持相对静止，并通过磁光势阱的亥姆霍兹线圈的电流参数解算平台的姿态角速率。本方法有以下两个关键点：

(1)磁光势阱产生BEC涡旋气体原子团

利用激光冷却技术和射频蒸发冷却技术可在磁光势阱中实现气态Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚态，并可以通过磁光势阱的设定参数控制涡旋成核的成核原子百分比和涡旋形状。在磁光势阱中，BEC气体原子团的状态可由非线性薛定谔方程Gross-PitaevskiEquation描述：

其中，i是复数单位，Ψ₀(r,t)是原子团的波函数，r表示位置，t表示时间，为约化普朗克常数，▽为拉普拉斯算符，表示原子间相互作用强度，a为s波的散射长度，m为原子质量，V_ext为外部势阱。

(2)磁光势阱对囚禁的BEC涡旋原子团运动状态的影响和控制