對實(shí)現(xiàn)原子芯片高頻勢阱、微型原子激射器的連續(xù)運(yùn)行和物質(zhì)波干涉研究具有重要意義

記者近日從中國科學(xué)院上海光機(jī)所獲悉，該所量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王育竹院士領(lǐng)銜的“973”冷原子系綜量子信息存儲技術(shù)——高頻勢阱研究小組在國際上首次實(shí)現(xiàn)了中性原子的高頻勢阱囚禁和導(dǎo)引。該研究的重要進(jìn)展將對實(shí)現(xiàn)原子芯片高頻勢阱、微型原子激射器的連續(xù)運(yùn)行和物質(zhì)波干涉研究具有重要意義。

早在2001年，為研究原子云在強(qiáng)場中的動力學(xué)行為，王育竹即提出了利用高頻勢阱導(dǎo)引和囚禁超冷原子的學(xué)術(shù)思想。研究組在理論上曾獲得過理想的結(jié)果，但由于實(shí)驗(yàn)難度很大，當(dāng)時(shí)未能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過研究小組多年來的艱辛努力，在克服實(shí)驗(yàn)中的重重困難后，終于實(shí)現(xiàn)了高頻勢阱導(dǎo)引和囚禁超冷原子氣體的實(shí)驗(yàn)。

利用高頻勢阱囚禁比傳統(tǒng)囚禁超冷原子的勢阱具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)囚禁超冷原子的勢阱主要有兩類：光偶極勢阱和靜磁勢阱。光偶極阱中存在著固有的原子自發(fā)輻射，它會導(dǎo)致加熱原子;靜磁場只能囚禁所謂的弱場追尋態(tài)原子，并且磁阱中存在漏洞，損失囚禁原子，限制了對原子運(yùn)動狀態(tài)操縱以及對靜磁勢阱設(shè)計(jì)的自由度。比如，在實(shí)現(xiàn)相干原子束的相干分束或?qū)б龝r(shí)，就遇到較大困難。

利用高頻電磁場導(dǎo)引原子的原理如下：有空間梯度的射頻場混合在均勻強(qiáng)靜磁場中原子的磁子能級，在靜磁場和射頻場的作用下，原子的本征態(tài)是綴飾態(tài)。這些綴飾態(tài)的本征能級隨空間位置的變化給出了絕熱的囚禁勢。這種動靜結(jié)合的綜合勢場提供了比純粹的靜磁場勢阱多得多的優(yōu)越性，在原子光學(xué)中展示出廣闊的發(fā)展空間，它關(guān)聯(lián)于非常廣泛的冷原子系統(tǒng)，比如導(dǎo)引物質(zhì)波原子激射器、一維原子氣體和原子干涉儀。射頻阱避免了在極深光勢阱中的自發(fā)輻射等，與傳統(tǒng)的靜磁導(dǎo)引相比，射頻波導(dǎo)還可以避免Majorana躍遷，在實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行的原子激射器中具有優(yōu)勢。

在國家自然科學(xué)基金委和科技部支持下的高頻勢阱組，承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題“973”冷原子系綜量子信息存儲研究、磁陷阱中冷原子的參量冷卻及超冷原子和BEC物理性質(zhì)研究。該小組建立了我國第一套集光、機(jī)、電為一體的精密可調(diào)的高頻微型勢阱和波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置，包括超高真空系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、激光穩(wěn)頻系統(tǒng)、電磁機(jī)械系統(tǒng)、高分辨超冷原子成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)等。課題組與上海光機(jī)所精密光電測控研究與發(fā)展中心合作，研制了一套消像差成像系統(tǒng)，用于對高頻勢阱囚禁的冷原子的成像探測。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置上，首先實(shí)現(xiàn)了冷原子團(tuán)穿越直徑2毫米的金屬銅小孔，并把冷原子團(tuán)轉(zhuǎn)移到了射頻阱區(qū)域，轉(zhuǎn)移距離大約40毫米，原子數(shù)目達(dá)到幾百萬個(gè)，為實(shí)現(xiàn)高頻勢阱創(chuàng)造好了條件。通過對系統(tǒng)的優(yōu)化和射頻網(wǎng)絡(luò)的匹配，該小組實(shí)現(xiàn)了高頻勢阱對超冷原子云的囚禁和導(dǎo)引。通過改變高頻場對原子躍遷頻率的失諧量，不但可以導(dǎo)引弱場追尋態(tài)原子，而且可以導(dǎo)引強(qiáng)場追尋態(tài)的原子，導(dǎo)引的原子數(shù)峰值約300萬個(gè)。

有關(guān)專家認(rèn)為，高頻勢阱導(dǎo)引超冷原子研究的重要進(jìn)展為實(shí)現(xiàn)原子芯片高頻勢阱、微型原子激射器的連續(xù)運(yùn)行和物質(zhì)波干涉研究打下了基礎(chǔ)。高亮度的相干原子束對高精度精密測量、物質(zhì)波刻蝕、物質(zhì)波成像技術(shù)和原子光學(xué)研究具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。原子激光如同激光在光學(xué)應(yīng)用中一樣，具有根本性的重要意義，高頻勢阱囚禁冷原子實(shí)驗(yàn)成功對于開展物質(zhì)波的相干操控邁出了重要一步。

量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿