超冷里德堡原子的相干效應(yīng)研究.pdf

1、里德堡原子是主量子數(shù)n較大的高激發(fā)態(tài)原子,具有原子半徑大(~n2),壽命長(zhǎng)(~n3)等性質(zhì)。由于里德堡原子具有大的極化率(~n7),因此對(duì)外場(chǎng)非常敏感極易受外場(chǎng)操控。里德堡原子間具有很強(qiáng)的長(zhǎng)程范德瓦爾斯以及偶極-偶極相互作用。人們?cè)趶?qiáng)相互作用的里德堡原子氣體中發(fā)現(xiàn)激發(fā)阻塞效應(yīng)(Blockade),利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了量子邏輯門的操作,完成了單里德堡原子的激發(fā)。將里德堡原子間的強(qiáng)相互作用和與光子相互作用產(chǎn)生的相干效應(yīng)相結(jié)合,將產(chǎn)生新奇的量子干

2、涉現(xiàn)象,里德堡階梯型三能級(jí)系統(tǒng)的Autler-Townes分裂等現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)光子與里德堡原子耦合形成暗態(tài)偶極子(Dark-state Polariton),可以實(shí)現(xiàn)光信息的存儲(chǔ)以及單光子源的制備,這些特性使里德堡原子成為量子信息存儲(chǔ)具有潛在應(yīng)用價(jià)值的介質(zhì)。
　　實(shí)驗(yàn)中利用激光冷卻技術(shù)將銫原子俘獲在MOT中,獲得了溫度~100μK,原子數(shù)~5×107,直徑~700μm的超冷銫原子團(tuán)。通過(guò)6S1/2→6P3/2→nD

3、或nS的雙光子激發(fā)過(guò)程,將基態(tài)超冷銫原子激發(fā)至里德堡態(tài)。利用脈沖場(chǎng)電離的方法電離里德堡原子,通過(guò)采集離子信號(hào)反映里德堡原子布居數(shù)的變化。
　　本文以超冷銫里德堡原子作為主要研究對(duì)象,從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面計(jì)算和觀測(cè)了里德堡原子中的量子相干效應(yīng)。主要內(nèi)容分為以下三個(gè)方面:
　　一、建立光與里德堡原子階梯型三能級(jí)系統(tǒng)相互作用的半經(jīng)典模型,通過(guò)計(jì)算原子密度矩陣的演化方程,理論擬合了里德堡原子中A-T分裂的線型,并且唯象地計(jì)算了里德堡原

4、子的相互作用對(duì)A-T分裂的影響。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)改變強(qiáng)耦合光的拉比頻率與失諧,系統(tǒng)研究了光場(chǎng)對(duì)A-T分裂效應(yīng)的影響;通過(guò)改變里德堡原子密度以及主量子數(shù)n,研究了強(qiáng)的長(zhǎng)程相互作用下,里德堡原子能級(jí)衰減對(duì)A-T分裂效應(yīng)的影響。并提出參數(shù)η,用來(lái)作為光與原子所組成系統(tǒng)相干性強(qiáng)弱的判據(jù)。
　　二、理論計(jì)算了電場(chǎng)下銫里德堡原子的Stark能譜,分析了nS態(tài)與(n-4)的高-l態(tài)能級(jí)回避交叉的原因。實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到49S態(tài)與n=45的高-l態(tài)在電場(chǎng)強(qiáng)度

5、為4.3以及5.5 V/cm附近的回避交叉點(diǎn),與理論符合地很好。
　　三、利用單脈沖電場(chǎng),將初始制備在nS態(tài)的原子通過(guò)絕熱和非絕熱躍遷通道,經(jīng)過(guò)回避交叉點(diǎn)態(tài)轉(zhuǎn)移至(n-4)的高-l態(tài)。改變脈沖電場(chǎng)的強(qiáng)度,在較強(qiáng)的電場(chǎng)下,態(tài)轉(zhuǎn)移比率較大。通過(guò)改變激發(fā)光強(qiáng),調(diào)節(jié)里德堡原子密度,發(fā)現(xiàn)態(tài)轉(zhuǎn)移比率與密度的線性依賴關(guān)系。最后通過(guò)改變主量子數(shù)n,得到態(tài)轉(zhuǎn)移比率相同時(shí),所需電場(chǎng)強(qiáng)度與主量子數(shù)n-5.89±0.4成正比。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到原子在nS態(tài)與(n

6、-4)高-l態(tài)之間的態(tài)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象隨電場(chǎng)脈寬變化的演化過(guò)程。發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度越大,飽和速度越快,飽和值越大。對(duì)比研究了電場(chǎng)強(qiáng)度,自由離子,主量子數(shù)等因素對(duì)態(tài)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程的影響。加載雙脈沖電場(chǎng),研究了態(tài)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象中的相干特性,電場(chǎng)脈寬越小,系統(tǒng)的相干性越明顯。利用Stark態(tài)波函數(shù)的演化提出了初步的理論解釋。
　　本文的創(chuàng)新之處在于:
　　一、通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀測(cè),系統(tǒng)研究了里德堡原子間的強(qiáng)相互作用對(duì)光與原子相互作用的量子相