對實現原子芯片高頻勢阱、微型原子激射器的連續運行和物質波干涉研究具有重要意義

記者近日從中國科學院上海光機所獲悉，該所量子光學重點實驗室王育竹院士領銜的“973”冷原子系綜量子信息存儲技術——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高頻勢阱、微型原子激射器的連續運行和物質波干涉研究具有重要意義。

早在2001年，為研究原子云在強場中的動力學行為，王育竹即提出了利用高頻勢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的結果，但由于實驗難度很大，當時未能實現實驗驗證。經過研究小組多年來的艱辛努力，在克服實驗中的重重困難后，終于實現了高頻勢阱導引和囚禁超冷原子氣體的實驗。

利用高頻勢阱囚禁比傳統囚禁超冷原子的勢阱具有明顯的優勢。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;靜磁場只能囚禁所謂的弱場追尋態原子，并且磁阱中存在漏洞，損失囚禁原子，限制了對原子運動狀態操縱以及對靜磁勢阱設計的自由度。比如，在實現相干原子束的相干分束或導引時，就遇到較大困難。

利用高頻電磁場導引原子的原理如下：有空間梯度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比純粹的靜磁場勢阱多得多的優越性，在原子光學中展示出廣闊的發展空間，它關聯于非常廣泛的冷原子系統，比如導引物質波原子激射器、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物理性質研究。該小組建立了我國第一套集光、機、電為一體的精密可調的高頻微型勢阱和波導實驗裝置，包括超高真空系統、光學系統、激光穩頻系統、電磁機械系統、高分辨超冷原子成像系統和計算機程序控制系統等。課題組與上海光機所精密光電測控研究與發展中心合作，研制了一套消像差成像系統，用于對高頻勢阱囚禁的冷原子的成像探測。在這個實驗裝置上，首先實現了冷原子團穿越直徑2毫米的金屬銅小孔，并把冷原子團轉移到了射頻阱區域，轉移距離大約40毫米，原子數目達到幾百萬個，為實現高頻勢阱創造好了條件。通過對系統的優化和射頻網絡的匹配，該小組實現了高頻勢阱對超冷原子云的囚禁和導引。通過改變高頻場對原子躍遷頻率的失諧量，不但可以導引弱場追尋態原子，而且可以導引強場追尋態的原子，導引的原子數峰值約300萬個。

有關專家認為，高頻勢阱導引超冷原子研究的重要進展為實現原子芯片高頻勢阱、微型原子激射器的連續運行和物質波干涉研究打下了基礎。高亮度的相干原子束對高精度精密測量、物質波刻蝕、物質波成像技術和原子光學研究具有潛在的應用價值。原子激光如同激光在光學應用中一樣，具有根本性的重要意義，高頻勢阱囚禁冷原子實驗成功對于開展物質波的相干操控邁出了重要一步。

量子光學重點實驗室供稿