超冷原子量子振荡跃迁虚拟仿真实验

实验要求

(一）课程教学内容及知识模块顺序

1．误差理论和数据处理

教学基本要求：通过误差理论的学习掌握物理量的测量、测量误差及其分类、直接测量中真值和测量误差的估算、不确定度计算、测量结果的表达、间接测量中真值和测量误差的估算、有效数字及其运算、数据处理的基本方法。

2．在实验的第1、2个模块中，安排验证性实验

教学基本要求：验证性实验成熟规范，它能使学生在较短的时间内，迅速掌握大量知识，使学生打下扎实的基础实验知识与技能，为今后的创新和创业工作做好坚实的准备。用虚拟仿真实验的流程规范学生的实验过程，培养良好的科学实验习惯。此阶段主要是让学生学会基本实验仪器、工具的规范使用；学习数据处理方法逐差法、作图法；学会对结果的正确表示和评价。

3．在实验的第3个模块中，安排综合性实验

教学基本要求：提高层实验是基础层实验的螺旋式前进，是学生进行设计性实验的过渡。根据实验项目指定的要求，根据实验原理、实验条件、实施方案，并根据实验仪器说明正确使用仪器，以此发挥学生的学习主动性。学生通过独立实验,掌握对陌生仪器的调试方法，学会实验故障排除，以及对实验的定量分析，以此得到整体素质的提高。

（二）实验教学过程与实验方法

1、实验教学过程

图5 实验教学过程示意图

本实验教学过程主要包括基础认知、任务实践和结果评价三个阶段（图5）。

阶段一：实验背景及介绍

本实验系统通过“实验简介”模块，提供实验简介、实验目的、实验流程和超净间使用准则等内容，使学生了解实验相关背景知识；通过“知识回顾”模块，提供超冷原子量子振荡跃迁相关文献资料、三维实景模型、实验教学操作引导视频，使学生通过文字、图像、模型和视频等方式，完成量子物理实验操作等内容的初步认知，为虚拟仿真实验做准备。

阶段二：实验操作与分析

本实验对前沿超冷原子量子振荡跃迁实验流程进行梳理和重组，共设置两个模块：光路系统设计模块和激光制冷原子模块。其中，共设置九项实验任务：1、选择合适激光源；2、制备全同光粒子；3、引导激发光；4、引导探测光；5、实现光相干；6、测量干涉环；7、温度参数调节布朗热运动；8、卡诺热机循环制冷；9、多普勒激光制冷。每项任务均具有明确的教学目的：1、“选择合适激光源”：培养学生针对物理实验进行基础资料的搜集和分析调研的能力；2、“制备全同光粒子”：培养学生掌握分束镜进行光路设计的能力；3、“引导激发光”：培养学生掌握平面镜进行光路引导的能力；4、“引导探测光”：培养学生掌握平面镜进行二次光路引导的能力；5、“实现光相干”：培养学生合理安排光学器件搭建顺序，并在各环节中合理选用光学元件的能力；6、“测量干涉环”：培养学生控制变量进行物理参数测量的规律性探究能力；7、“温度参数调节布朗热运动”：培养学生掌握观察原子热运动变化细节的洞察能力；8、“卡诺热机循环制冷”：培养学生掌握比较法设计制冷系统的能力；9、“多普勒激光制冷”：培养学生掌握激光制冷技术综合工程能力。学生通过完成以上九项实验任务，可达到本实验的教学目的。

阶段三：实验评估及讨论

本实验采用客观系统评价方式，包括方案流程评估、安全评估和系统评价等三个评价环节，每个评估环节目标明确：①“方案流程评估”，对整体实验流程、光学系统设计流程、光学元器件正确使用进行准确性和完整性的评估和打分。该评估展示了学生实验操作和实验知识点的掌握情况，通过分析流程评估、优化实验操作，可进一步加深对实验的理解和知识点的掌握。②“安全评估”，依据超净间安全使用守则，对穿戴防护服、佩戴护目镜、风淋除尘、强激光防护等步骤进行汇总和分析，并进行综合评价。该评估展示了在极端环境下的量子物理实验的重要安全指标，培养了学生对实际物理实验操作的可实施性和安全性的综合评估能力。③“系统评价”，系统会根据赋分模型对学生每一步操作进行“优秀”、“良好”、“中等”和“及格”四个等级的评价。通过每一步的得分变化，可加深学生对实验的认识和对问题的理解，调动学生的学习积极性。

2、实验方法

本实验综合采用自主设计法、观察法、控制变量法、比较法等实验方法（图6），使学生全面掌握量子物理实验的操作流程，理解多种参数对超冷原子量子振荡跃迁性能的影响规律。

图6 虚拟仿真实验的实验方法

自主设计法：主要用于光路设计实验部分，提高学生学习的主动性和积极性，同时有助于培养学生的创新意识。学生根据给定的迈克耳孙干涉图样为设计目标，让学生深度参与物理实验设计过程，最终得到满足设计目标的最优设计方案。

观察法：主要应用在激光制冷原子的实验环节。学生通过调节温度、激光x、y、z轴的入射角度，观察Ru原子在不同温度下的布朗热运动，通过观察了解随着温度的降低，原子热运动逐渐减慢的客观规律。通过激光入射角度的不同，可以更加直观地观测到Ru原子在哪些方向上的动量减小。

控制变量法：学生可以在保持其他参数不变的情况下改变某一个参数（如光频率参数等），研究完成该参数的影响后保持该参数不变，改变其他参数，直至实验结束。如通过选择不同激光器，可以了解光的频率与颜色的关系，以及光频率参数对光子能量的影响，继而影响原子冷却的效果和量子振荡的曲线。

比较法：主要用于光程差等重要知识点学习部分。通过光路设计，将光学分成两束相干光，通过两束光程的长度进行直观比较，让学生掌握光程差这一重要物理知识点。由易到难、系统的展示给学生。

实验背景

本实验通过团队成员前沿科研成果（Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 173201等）进行教学转化，完成“光路系统设计—激光制冷系统—量子振荡跃迁”全流程的梳理，从而开发此虚拟仿真实验系统。实验的原理主要包含迈克尔逊干涉原理、多普勒激光制冷原理和量子振荡跃迁原理三个部分（如图2所示）。

图2 实验原理框架图

迈克尔逊干涉原理。一束激光通过如图3所示的光学元件后产生两束全同激光，之后在空间中发生干涉，在光屏中呈现出明暗相间的同心圆环，测量激光的波长用如下公式：

其中，λ为光的波长，Δd为光程差，N为圆环消失/增加的圈数。

图3 迈克尔逊干涉条纹原理示意图和干涉条纹

多普勒激光制冷原理。多普勒冷却利用了光束的多普勒频移，当原子运动方向与光束同向时，原子感受到的光频率小于真实光频率；当原子运动方向与光束反向时，则反之。若原子处在对射更接近原子的跃迁共振频率，因此原子将从与原子运动方向相反的光束中吸收更多光子，获得与运动方向相反的净动量。原子吸收光子后将通过自发辐射过程回到基态，而由于自发辐射过程是各向同性的，统计平均后，辐射过程传递给原子的净动量为零。最终原子获得了与运动方向相反的动量，即原子被冷却。理论估算表明多普勒冷却的极限温度是：

其中，k_B是波尔兹曼常数，ћ=h/(2π)，h是普兰克常数，Γ是激发态的自发辐射速率。

量子振荡跃迁原理。利用激光冷却技术将宏观数量的原子俘获在基态的能级上，然后通过光子激发，将原子从基态激发到到较高能量的量子态。第一组光子将原子从基态部分激发到激发态得到叠加量子态，电子在基态和激发态之间进行周期性快速迁移，周期为T。利用第二组完全相同的激光将激发态原子退激发到初始态基态，将这两组激光之间的时间延迟τ稳定在阿秒时间尺度上，其中激发态Pe和基态Pg的几率分布满足：

通过时间延迟技术调节τ可以观测多体系统中的相干动力学随时间的演化。量子振荡跃迁的实验装置如图4所示。

图4 量子振荡跃迁实验图

知识点：共12 个

1. 光的频率、波长与周期三者关系

2. 原子受激辐射模型

3. 平面镜的光反射定律和分束镜概念

4. 光程和光程差概念

5. 激光干涉原理

6. 迈克尔逊干涉条纹的产生原理

7. 光的波粒二象性原理

8. 温度对布朗热运动的影响规律

9. 卡诺热机循环的工作原理

10. 多普勒激光制冷原理

11. 电子能级概念和能级跃迁理论

12. 量子振荡跃迁原理

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

本实验主要针对实验过程、场景和器件等和数据模型这两个核心要素进行仿真。

1、实验过程、场景和仪器的仿真

实验过程依照现实实验流程进行重组，构建出相应的任务化和过程化仿真实验步骤。对于超净间的施工、维护、管理等部分进行简化，其实验流程仿真度约为90 %。选取真实超净实验室作为实验场景，并通过三维数字化采集，实现高精度1：1的三维实景建模，选取此模型中的四个不同场景角度作为不同实验环节的实验环境，仿真度约为90%。选取不同类型和特征的激光器等，通过进行三维数字化采集和实景建模来仿真仪器，仿真度约为90%。

2、实验数据模型的仿真

本实验主要包括的4个模型，其中迈克尔逊干涉的模型是根据真实的实验数据和客观的物理规律进行仿真的，其仿真度约为95%；卡诺热机循环模型我们不仅考虑了理论上的两个等温可逆和两个等绝热可逆过程，还结合实际情况加入热机的热损失、工作介质和环境因素的影响，因此其仿真度约为90%；激光制冷模型同样在理论的基础上，考虑了腔体的真实环境等因素，其仿真度约为95%；量子振荡跃迁模型是在真实的实验数据的基础上结合严格理论的模型进行的，其仿真度约为95%。

设计原则

一、实验的必要性及实用性

1、前沿量子物理科技是大国工程建设的必要基础，是强国建设对量子物理人才培养的新需求，是衡量一个国家基础科学水平的重要标志。

量子物理所代表的“量子革命”是世界主要科技大国重点抢占的战略技术高地，同时量子信息、量子计算、量子保密通讯等领域更是事关国家安全和国家发展、事关人民群众生活的重大战略问题。

如何在教学过程中落实立德树人的根本任务，将社会责任、职业道德等德育要素融入教学；如何让学生身临其境地操作量子物理实验，触发学生对中国创造精神的理解；如何将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生成为物理教学面临的重要挑战。

2、量子物理实体要求极端苛刻、实验代价大、高激光辐射和极端低温实验环境危险程度高。

高校物理教学开展实体量子实验面临诸多的困难：（1）量子物理实验一般在超净实验室中运行，对实验空间环境要求严格，如温度、湿度、空气粉尘颗粒；（2）量子物理实验采用的大型激光器等设备价格昂贵，且专项技能培训周期长。（3）大功率激光具有极强的破坏性，具有激光辐射危险性；（4）实验环境温度低于宇宙空间温度，现实不可及。

目前传统量子物理实验主要采用“思想实验”的形式进行说课教学，往往教学效果不佳。因此，相关量子物理实验必须依托虚拟仿真技术进行开展。

3、基于《物理实验》、《量子力学》的教学大纲和课程需求，完善了人才培养方案。

本实验通过虚实结合手段，立足于对高校人才培养方案（图1）。

图1 《物理实验》课程培养方案

《物理实验》是本科生通识基础课程，也是理工科人才培养实验实践环节不可缺少的环节。相关课程的教学目的是培养学生物理实验操作技能，培养具有较高实践能力和解决复杂物理问题能力的人才。其中，量子物理相关实验实践性强，对实践教学要求很高，实际操作难度大，只有通过虚拟仿真的教学实验方式，才能够让学生体验前沿量子物理实验的魅力。同时，虚拟仿真实验提高了专业人才培养质量，完善专业知识体系，提高课程实施效率，强化现有毕业生人才能力培养方案。

二、教学设计的合理性

1、前沿量子物理实验体现了“高阶性、创新性、挑战度”的课程标准。

针对传统教学难点，在内容上选取具有宏观体量、微观机制的量子振荡跃迁实验，利用虚拟仿真技术实现“认知-分析-综合-探索”四层次递进式设计，通过开放式实验构架强化学生自主设计，引导学生从基础课堂知识向前沿科研实践拓展，培养学生的综合素质和创新能力，体现了“高阶性、创新性、挑战度”的教学要求。

2、实验评估全面，评价系统合理。面向不同学习能力的学生，细化了赋分模型，体现了新时代中国“四有”好教师对学生的“仁爱之心”。

该虚拟仿真实验通过专业物理公式对学生的实验操作进行客观系统评价，精细化的赋分模型让“每一分得失都有赋分模型支撑”，全面的实验评估报告使学生对掌握的相关量子物理知识有更加清晰的认识。同时，整个实验流程允许学生操作犯错，并鼓励学生采用试错法进行学习，以促进学生更好地掌握量子物理相关知识点，提高学生的学习兴趣。

三、实验系统的先进性

先进的硬件和软件打造虚实融合的操作体验。本虚拟仿真实验系统采用Unity等先进技术手段，依托虚拟现实技术、计算机仿真技术、多人在线共享技术、动态数据库和实时网络通讯等技术,构建高度仿真的实验模型和数据模型,以真实场景、真实设备和真实流程进行虚拟实验，实现“在虚拟的环境中做真实验”的要求。通过交互式步骤设计，实现实时数据反馈，允许学生“试错”，逐步加深对量子物理知识点进行深度学习。实验设计具有高性能、高可用、高并发，具有良好的操作引导性、人机交互性和端口扩展性。

超冷原子量子振荡跃迁虚拟仿真实验

实验要求

教学成果

实验背景

设计原则

实验目标

成绩评定