對實現（xiàn）原子芯片高頻勢阱、微型原（yuán）子激射器的連續運行和物質（zhì）波（bō）幹涉（shè）研究具有重要意義

記者近日從中國科學院上海光（guāng）機所（suǒ）獲悉，該所量子光學重點實驗室王育竹（zhú）院士領銜的“973”冷原子係綜量子信息存（cún）儲技術——高頻勢阱研究小組在國際上首次實現了中性原子的高頻勢阱囚禁和導引。該研究的重要進展將對實現原子芯片（piàn）高頻勢（shì）阱、微（wēi）型原子激射器的連續運行和物質波幹涉研究具有重要意義。

早在2001年，為研究原子雲在強場中的動（dòng）力學行為，王（wáng）育竹即提出了利用高（gāo）頻勢（shì）阱導引和囚禁超冷原子的學術思想。研究組在理論上曾獲得過理想（xiǎng）的結果，但由於實驗難度很大，當時未能實現實驗驗證。經（jīng）過研究小組多（duō）年（nián）來的艱辛（xīn）努力，在（zài）克服實驗中的重重困難後，終於（yú）實現了高頻勢（shì）阱導引和囚禁超冷原子氣體的實驗。

利用高頻勢（shì）阱囚禁比傳統囚禁超冷原子的勢阱具有（yǒu）明顯的優勢。傳統囚禁超冷原子的勢阱主要有兩類：光偶極勢阱（jǐng）和靜磁勢阱。光偶極阱中存在著固有的原子自發輻射，它會導致加熱原子;靜磁場隻能囚禁（jìn）所謂的弱場追尋態原子，並且磁阱中存在漏洞，損失囚禁原子，限製了對原子運（yùn）動狀態操縱以及對靜磁（cí）勢阱設計的自由度。比如，在實（shí）現（xiàn）相幹原子束的相幹分束或導引時，就遇到較大困難。

利（lì）用高頻電磁場導引原子的原理如下：有空間梯度（dù）的射頻場混合在均勻強靜磁場中原子的磁子能級，在靜磁場（chǎng）和射頻場的作用下，原子的本征態是綴飾態。這些綴飾態的本征能級隨空間位（wèi）置的變化給出了絕熱的囚禁勢。這種動靜結合的綜合勢場提供了（le）比純粹的靜磁場勢阱多得多的優越性（xìng），在原子光學中展示出廣闊的發展空間，它關聯於非常廣泛的冷原（yuán）子係統，比如導引物質波原子激射器、一維原子氣體和原子幹涉儀。射頻阱避免了在極（jí）深（shēn）光勢阱中的自發輻射等，與傳統的靜磁導引相比，射頻波導還可以避免Majorana躍遷，在實現連續運行的原子激射器中具有優勢。

在國家自然科學基金委和科技部支持下的高頻勢阱組，承擔了國家自然科學基金重點課題“973”冷原子係綜量子信息存儲（chǔ）研究、磁陷阱中冷原子的參量冷卻及超（chāo）冷原子和BEC物理性質研究。該小組（zǔ）建立了我國（guó）第一套集光、機、電為一體的精密可調的高頻微型（xíng）勢阱（jǐng）和波導實驗裝置，包括超高真空係統（tǒng）、光學係統、激光穩頻係統、電磁機械係統、高分辨（biàn）超冷原子成像係統和計算機程序控（kòng）製係統等。課題組與上海光機所精密（mì）光電測控研（yán）究（jiū）與發展中心合作，研製了（le）一套消像（xiàng）差（chà）成像係統，用於（yú）對高頻勢阱囚禁的冷原子的成像探（tàn）測。在這（zhè）個（gè）實驗裝置上，首先實現了冷原子團穿越直徑2毫米的金屬銅小孔，並把冷原子團轉移到了射頻阱區（qū）域，轉移距離（lí）大約40毫米，原（yuán）子數目達到（dào）幾百萬（wàn）個，為實現高頻勢阱創造好了（le）條件。通過對係統的優化和射頻網絡的（de）匹配，該小組實現（xiàn）了高頻勢阱對超冷原子（zǐ）雲的囚禁和導引。通過改變（biàn）高頻場對原子躍遷頻（pín）率的失諧量，不但可以導引（yǐn）弱場追尋態原子，而且可以導引強場追尋態的原子，導引的原子數峰值（zhí）約300萬個。

有關（guān）專家認為，高頻勢阱導引超冷原（yuán）子研究的重要進展（zhǎn）為實現原子芯（xīn）片高頻勢阱、微型（xíng）原子激（jī）射器的連續運行和物質波幹涉研究打下了基礎。高亮度的相（xiàng）幹原（yuán）子束對高精度精密測量、物質波（bō）刻蝕、物質波成像技術和原子光學研究具有潛在的應（yīng）用價值（zhí）。原子（zǐ）激光如同激光在光學（xué）應用中一樣，具有根本性的重（chóng）要意（yì）義，高頻勢（shì）阱囚禁冷原子實驗成功對於開（kāi）展物質波（bō）的相幹操控邁出了重要一步。

量子光學重點實驗室供稿