我国高频势阱原子波导研究获重大进展

记者近日从中国科学院上海光机所获悉，该所量子光学重点实验室王育竹院士领衔的“973”冷原子系综量子信息存储技术——高频势阱研究小组在国际上首次实现了中性原子的高频势阱囚禁和导引。该研究的重要进展将对实现原子芯片高频势阱、微型原子激射器的连续运行和物质波干涉研究具有重要意义。

早在2001年，为研究原子云在强场中的动力学行为，王育竹即提出了利用高频势阱导引和囚禁超冷原子的学术思想。研究组在理论上曾获得过理想的结果，但由于实验难度很大，当时未能实现实验验证。经过研究小组多年来的艰辛努力，在克服实验中的重重困难后，终于实现了高频势阱导引和囚禁超冷原子气体的实验。

利用高频势阱囚禁比传统囚禁超冷原子的势阱具有明显的优势。传统囚禁超冷原子的势阱主要有两类：光偶极势阱和静磁势阱。光偶极阱中存在着固有的原子自发辐射，它会导致加热原子；静磁场只能囚禁所谓的弱场追寻态原子，并且磁阱中存在漏洞，损失囚禁原子，限制了对原子运动状态操纵以及对静磁势阱设计的自由度。比如，在实现相干原子束的相干分束或导引时，就遇到较大困难。

利用高频电磁场导引原子的原理如下：有空间梯度的射频场混合在均匀强静磁场中原子的磁子能级，在静磁场和射频场的作用下，原子的本征态是缀饰态。这些缀饰态的本征能级随空间位置的变化给出了绝热的囚禁势。这种动静结合的综合势场提供了比纯粹的静磁场势阱多得多的优越性，在原子光学中展示出广阔的发展空间，它关联于非常广泛的冷原子系统，比如导引物质波原子激射器、一维原子气体和原子干涉仪。射频阱避免了在极深光势阱中的自发辐射等，与传统的静磁导引相比，射频波导还可以避免Majorana跃迁，在实现连续运行的原子激射器中具有优势。

在国家自然科学基金委和科技部支持下的高频势阱组，承担了国家自然科学基金重点课题“973”冷原子系综量子信息存储研究、磁陷阱中冷原子的参量冷却及超冷原子和BEC物理性质研究。该小组建立了我国第一套集光、机、电为一体的精密可调的高频微型势阱和波导实验装置，包括超高真空系统、光学系统、激光稳频系统、电磁机械系统、高分辨超冷原子成像系统和计算机程序控制系统等。课题组与上海光机所精密光电测控研究与发展中心合作，研制了一套消像差成像系统，用于对高频势阱囚禁的冷原子的成像探测。在这个实验装置上，首先实现了冷原子团穿越直径2毫米的金属铜小孔，并把冷原子团转移到了射频阱区域，转移距离大约40毫米，原子数目达到几百万个，为实现高频势阱创造好了条件。通过对系统的优化和射频网络的匹配，该小组实现了高频势阱对超冷原子云的囚禁和导引。通过改变高频场对原子跃迁频率的失谐量，不但可以导引弱场追寻态原子，而且可以导引强场追寻态的原子，导引的原子数峰值约300万个。

有关专家认为，高频势阱导引超冷原子研究的重要进展为实现原子芯片高频势阱、微型原子激射器的连续运行和物质波干涉研究打下了基础。高亮度的相干原子束对高精度精密测量、物质波刻蚀、物质波成像技术和原子光学研究具有潜在的应用价值。原子激光如同激光在光学应用中一样，具有根本性的重要意义，高频势阱囚禁冷原子实验成功对于开展物质波的相干操控迈出了重要一步。