量子隧穿作为一种非平衡过程，是现代量子物理学中最有趣的问题之一。它已经在微观系统中被研究过，例如原子核的衰变，量子宇宙学，约瑟夫森结的隧道效应，以及生物学。近年来，超快激光的发展使得阿秒角条纹和阿秒技术能够基于隧穿电离来研究电子的时间动量分布。然而，量子隧穿在经典物理学中没有对应物，其过程仍然很神秘。
特别地，有争议的隧道时间问题仍然没有得到解决。由于玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实现，宏观量子隧穿(MQT)现在在实验上是可行的。对单粒子和多粒子的相互作用辅助隧穿进行了实验、理论和实验研究。在动量空间中研究了周期性势阱中的隧穿效应。这类实验提供了一种独特的方法，利用可控电位和原子间的相互作用，在孤立的环境中进行多体物理实验。
此外，为了研究隧道掘进过程的时间演化，冷凝物作为一个单一的宏观波函数，在空间和时间尺度上可以直接观测到，是研究这种非平衡动力学的一个很好的平台。激光冷却原子BEC具有隧穿过程中势垒高度、动能和原子数等相关参数的可调性，有利于实验的实现。
我们的实验类似于强场隧穿电离实验，其中冷凝物作为束缚电子波包。在阿秒条纹技术中，由光学偶极阱(ODT)、磁阱和重力所形成的电势作为被强光脉冲扭曲的原子核的库仑电势。利用BEC的宏观物质波包，可以对量子隧穿“电离”进行详细的研究。隧穿原子通过阱势的分布是阱内共同激发的凝聚态的年代学，即价电子运动的时间成像。
只有利用光孤子，才能在实验上演示到开放空间的隧穿动力学。在我们的报告中，物质波包首次被用来展示在开放空间的隧道动力学，并在真实空间中被观察。另一方面，正如我们在报告中所证明的，隧穿输出原子仍然以凝聚形式存在，并被转换为准一维物质波脉冲，作为“被动”脉冲原子激光器，没有主动输出耦合机制，可用于原子干涉仪应用。
隧穿物质波加
BEC是在一个具有交叉ODT结构的混合圈闭中产生的，伴随一个弱磁四极场。由于重力作用，陷阱底部的势垒高度最低(见图1a, b)， X-Y平面上的磁四极场梯度提供了横向约束，如图1b所示。然后通过改变ODT势阱的深度来扰动BEC。时变电位的协议包括：一个绝热斜坡和两种井涌(台阶井涌和脉冲井涌)，这两种井涌是非绝热变化，如图1a, c所示。
非绝热井涌的z向势阱的示意图:阶梯井涌和脉冲井涌。阱势的变化是通过改变光学偶极子阱(ODT)的功率来实现的。通过捕获势(灰色阴影表面)的量子隧穿的图解。外耦合物质波脉冲(假色峰)按照量子隧穿理论的描述呈指数衰减。c说明了操作时间顺序。红色虚线是脉冲踢腿随时间变化的ODT功率，蓝色虚线是阶跃踢腿的ODT功率。这些踢是在产生玻色-爱因斯坦凝聚后实现的。耦合时间是原子从ODT中逃逸的持续时间。
图2a-j显示了BEC动力学的典型时间演化，量子隧穿作用产生了一系列周期性物质波脉冲。如图2i, j所示，采用阶级式井涌，在90ms内从BEC油藏喷射出4-5个脉冲。在凝析油较大的情况下，输出脉冲可以持续200ms，产生>10个物质波脉冲。第一次脉冲出现在蹬腿后10 ms左右(图2b)。一个完整的脉冲在~ 30ms内从BEC储集层喷射出来，峰值通量6.34×106原子/秒，如图2d所示。输出脉冲持续时间为20ms，脉冲宽度为半最大值，脉冲重复频率为~ 50hz。占空比为50%，说明BEC储层内部存在一种对称的振荡运动。考虑到磁四极阱的X-Y约束，脉冲的正弦轨迹也表明初始横向动量是伴随的。我们的实验结果在周期性和脉冲形状等几个方面与先前的数值模拟有定性的一致。
a混合圈闭中产生的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的吸收图像。b-j是在周期性隧穿过程中，利用阶跃效应所拍摄的吸收图像。在10毫秒和20毫秒后，这些原子开始从BEC油藏b中喷射出来。d踢后30ms处第一个完整脉冲，峰值通量为6.34×106原子/s耦合。e-j分别为踢后40 ms、50 ms、60 ms、70 ms、80 ms和90 ms的周期脉冲外耦合。k在BEC产生后，光偶极圈闭功率绝热降低，不使用反冲。结果表明，BEC仍然保持在原来的位置，一个连续的热原子束向上和向下扩散。
另一方面，当绝热斜坡作用与踢流作用相比较时，产生了热原子束。ODT功率在2秒内以绝热方式下降到与step-kick相同的最终陷阱深度。在这种情况下，凝析气藏既没有附加动能，也没有集体模式激励。从BEC储层观察到一个连续的扩散泄漏，如图2k所示。这清楚地表明，ODT的最终捕集强度仍然能够在有效引力作用下保持储层。扩散泄漏甚至超过了BEC储层的位置，表现为热原子云，尽管该热云仍然受到横向俘获力的限制。因此，我们得出的结论是，这些热原子是通过ODT光辅助加热获得能量的，而凝析油只有通过踢水才能通过疏水阀，即使最终势垒很低。
为了表征输出脉冲，对输出耦合时间为60ms的三个脉冲进行了飞行时间(TOF)测量。吸收图像仅在重力作用下20ms自由落体后拍摄，没有磁场作用，如图3a所示。在第一个输出脉冲的一开始就观察到一定数量的热原子。其余的次序脉冲显示没有热膨胀，这表明它们仍然是凝析油。图3b是随自由落体时间的脉冲分离扩展图。它的线性意味着从BEC储层喷射出的脉冲是周期性的，而且脉冲速率没有减慢。
a物质波脉冲经过60ms耦合时间后的1ms和20ms飞行时间(TOF)图像的比较。储层和隧穿输出脉冲都保持为量子简并度。没有观察到热膨胀。b脉冲分离与TOF时间的关系。每个数据点都是通过单次测量得到的。c输出脉冲的衰减。每个脉冲的原子序数被规范化为总的喷射原子序数。下轴表示输出脉冲的阶数，上轴表示脉冲的垂直位置。几何级数衰减(式(2))在对数尺度上表现为线性回归。与凝析油储层测得的残余原子相比，灰点是利用式(2)从输出脉冲外推的投影。储层中未预料到的较大残余表明，整个凝析油中有10%最终将不穿洞而出。误差条是由每个数据点的三个测量值计算出来的。
在量子隧道,隧道效率η,挖过原子的分数,只有依赖于势垒U (r)和物质波Ek的动能。利用Wentzel-Kramers-Brillouin近似，可以表示为25:
$ $ \η= \ exp \离开(2 \ int_ {{{\ boldsymbol {r}}} _ {1}} ^ {{{\ boldsymbol {r}}} _{2}} \√6{\压裂{2 m} {{\ hslash} ^ {2}} (U ({\ bf {r}}) - {E} _ {k})} d {\ bf {r}} \右)$ $ (1)
r1和r2是势垒两边的经典转折点。与一个常数隧道效率η,挖过的原子衰变的数量成倍增长。这是量子隧穿的一个重要特征。在我们的脉冲BEC实验中，第i个输出脉冲中的原子数与隧穿效率有关，由:
$ $ {N} _{我}= {N} _{0} \埃塔{\离开(1 - \埃塔\右)}^{张}$ $ (2)
其中Ni为第i个脉冲中的原子数，N0为凝聚物的总个数。指数衰减然后以离散的几何级数表现出来。由图3c可知，输出脉冲衰减如式(2)所示，即，对数尺度下的直线。因此,隧道效率η是一个常数,我们得出这样的结论:脉冲Ek的动能,过程中保持不变80 ms out-coupling时间。原子的动能没有消散，振荡没有衰减。同时，利用式(2)，外推四次脉冲输出后BEC库中剩余原子的期望总数，如图3中虚线连接的灰点所示。然而，在BEC库中观察到的原子数量(红点)比外推的原子数量(灰点)要多。这意味着整个BEC中有10%的物质没有被激活，或者可能在稍后的时间从转动模式转移到振动模式，正如理论26所描述的那样。
隧道效率
pulse-kicks被应用于控制隧道效率η(Eq。2)。它让我们设置不同的最后屏障高度U (r),并调整动能Ek通过改变脉冲高度，踢的力量。图4a是脉冲脉冲产生的输出脉冲的典型吸收图像。图4b所示，在固定踢脚强度下，随着障壁高度的增加，隧道效率呈指数衰减。井涌强度表示为疏水阀深度的增量，与凝析油的动能Ek有关。图4c为踢强度与掘进效率的关系，其中最终势垒高度为常数。尽管脉冲井涌产生的激发能高于势垒高度，但输出能达到100%。它表现出与式(1)定性相符的指数饱和。
隧穿效率(隧穿原子的比例)取决于垒高和踢强度。通过应用具有不同最终势垒高度和反冲强度的脉冲反冲，可以以不同的效率喷射原子。踢出强度对应于陷阱深度的突然增加2ms，屏障高度为脉冲踢出前后的陷阱深度。脉冲脉冲产生的典型输出脉冲。b通过改变不断踢强度的势垒高度7.42μK,挖过原子的分数是策划。在较低的势垒高度，可以喷射出大量的原子。c踢强度随屏障高度的变化，分别为38nk和320nk。与数据点相关的误差是根据三个测量的系统重现性计算的。
