光學晶格

光學晶格是將冷原子裝載於多柬雷射相互干涉形成的周期性網狀勢阱，形成冷原子的空間周期性排列，類似於固體物理中的“晶體結構”。光學晶格廣泛套用於磁學、動力學及量子學等領域，並被科學家利用獲得了地球上最低的溫度。

基本介紹

• 中文名：光學晶格
• 類似部分：類似於固體物理中的“晶體結構
• 套用範圍：套用於磁學、動力學及量子學等
• 成果：獲得了地球上最低的溫度

簡介

根據交流斯塔克效應，利用雷射駐波場中原子感應的偶極力能將中性冷原子囚禁在波長尺度的範圍內，當雷射頻率相對原子共振頻率是紅失諧(即負失諧)時，原子將被俘獲在駐波場的波腹處；反之，當雷射頻率為藍失諧時，原子將被囚禁在波節處。根據這一光學偶極囚禁原理，將冷原子裝載於多柬雷射相互干涉形成的周期性網狀勢阱，即可實現冷原子的一維、二維或三維微光學囚禁，從而形成冷原子的空間周期性排列，類似於固體物理中的“晶體結構”，為此人們稱之為“光學晶格”。

研究歷史

1968年，Letokhov提出了採用駐波場囚禁冷原子的物理思想，1977年，他又進一步提出了採用雷射駐波場產生的周期性光學勢實現原子氣體中類晶體結構的建議，為原子光學晶格的提出、研究與製備奠定了基礎。

20世紀90年代初，Courtois，Verkerk和Jessen等理論與實驗研究了冷原子在一維光學粘膠(opticalmolasses)中的動力學行為、量子化運動和磁學性質等[。州]。在此基礎上，Prentiss提出了原子光學品格的概念，並進行了簡單的綜述與展望。隨後，H~nsch和Salomon等開展了有關冷原子光學晶格的實驗研究，從而掀起了光學晶格中冷原子和玻色一愛因斯坦凝聚(BEC)研究的高潮。

2001年後，由一維、二維和三維駐波雷射場構成的冷原子微光阱陣列(即原子光學晶格)的研究已成為冷原子物理和原子光學領域中的研究熱點之一，在原子光學晶格中，利用超冷原子氣體與空間周期性調製光場偶極相互作用可將冷原子囚禁在紅失諧光學晶格的最大光學勢處，或囚禁在藍失諧光學晶格的最小光學勢處。原子光學晶格為精確操控中性原子和研究某些基本物理問題提供了一種新的方法。

分類

一維光學晶格

通常，一維雷射駐波場由兩束相向傳播的偏振方向相互平行的線偏振雷射束或旋轉方向相同的圓偏振光干涉而成，在二光束相遇區域干涉光強隨空間周期性變化，且對原子產生正比於強度梯度的偶極囚禁力是一維駐波場的光強分布(周期是γ/2)或囚禁原子的一維光學勢分布。當冷原子束被裝載到一維駐波場中，並且光場為紅失諧時，冷原子將被囚禁于波腹處；而當光場為藍失諧時，冷原子將被囚禁于波節處，從而形成一維的原子光學晶格，周期也是γ/2。

二維光學晶格

1993年，德國慕尼黑大學的Hi~nsch小組採用二對正交的一維駐波雷射場構成了二維原子光學品格。兩對光束問的位相發生細微變化，將影響勢阱的偏振和阱深等性質。為了解決這一問題，他們把雷射輸出的線偏振光經過麥可遜干涉儀的反射鏡反射後形成了具有相同線偏振的二維駐波場，並通過移動干涉儀中的一塊反射鏡，把二個正交駐波場的相位差牢牢地控制在咖=7r/2，以便得到穩定的矩形晶格，由於相鄰勢阱底部的圓偏振方向是相反的，勢阱的間隔為γ/2，故這樣的二維晶格是反鐵磁性的。

另一類二維光學品格由三束光干涉而成，在這一方案中，三束雷射均為線偏振且波矢之間的夾角均為120。，構成了六方晶格，並且相鄰勢阱中原子的磁矩也是反向的。但這與前面的矩形晶格方案不同，光束之間的相位差不會對晶格形態產生任何影響。當晶格光場為藍失諧時，冷原子被囚禁在勢阱底部，形成一六方晶格；而當晶格光場為紅失諧時，冷原子被囚禁在勢阱頂部，形成一面心六方晶格。

三維光學晶格

1993年，H~insch等採用三對正交的駐波雷射場構成了三維原子光學晶格。三維的情況耍比二維的情況複雜一些，除了保持原來z和Y方向駐波場之間的相位差之外，z和駐波場之間的相位差也將對晶格的性質產生很大的影響。此外，還有採用四束光干涉而成的一些三維光學晶格方案[，其中Z方向的光束是圓偏振的，其餘三束光是線偏振的(在xoy平面內)，光束間的夾角均是120。雖然光束在xoy平面內的投影情況相同，但正是那第四束圓偏振光(方向上的)，打破了盯+和一勢阱之間的對稱性。由於囚禁的原子具有相同的磁化強度，因而形成了鐵磁性的體心立方晶格。

CO2雷射晶格

CO2雷射晶格 通常，晶格光場中的冷原子是通過磁光阱來裝載的，且構成光學晶格的雷射一般是近共振的。由於原子間的碰撞以及光子散射效應，晶格中的原子密度一般不超過10oms/cm而晶格密度一般為10cm左右。如此，晶格的原子填充率很低(早期的實驗結果不到10%，最近達到40%左右)，無法保證每個晶格的格點上都有原子。這就是稱其為“光學晶格”，而不是“光子晶體”的原因之一。

H~nsch小組的研究發現採用γ=10．6m的C02雷射來構成光學晶格即能解決上述問題。由於CO2雷射的失諧量非常大，以致於原子每次發生光子散射的時間間隔長達600s以上，這表明原子在CO2雷射晶格中的壽命將比YAG雷射晶格中的壽命長約1000倍。另一方面，原子在C02晶格中的溫度低達10uK左右，原子密度被大幅度提高到10_10atoms/cm更高，同時晶格密度降為100atoms/cm0。因此，對於CO2雷射晶格，每個格點至少包含了個冷原子。顯然，CO雷射晶格是一種特殊的光學晶格，可用於製備中紅外光子晶體。

套用範圍

光學晶格可廣泛套用於研究囚禁原子的鐵磁圳、反鐵磁和順磁性質，偏振梯度冷卻與囚禁的動力學，Raman冷卻和絕熱冷卻，波包動力學、量子傳輸與隧道效應以及光通過原子光學晶格的Bragg衍射等。

除了採用冷原子的光學晶格以外，採用一維、二維和三維的載流導線陣列也可實現冷原子的磁阱或磁光阱陣列，從而形成一維、二維和三維的原子磁晶格或磁光晶格。原子磁晶格或磁光晶格也可廣泛套用於各種磁囚禁行為，波包動力學，量子傳輸與隧道效應的研究以及採用冷原子的量子計算，甚至用於製備一維、二維和三維的光子晶體等。

2011年12月，科學家利用光學晶格系統，獲得了地球上最低的溫度記錄，其數值為零下273.15攝氏度。製備這種極端低溫環境是研究物質基本性質，以及量子力學原理下一些奇異特性的必備條件。科學家們有選擇性地將光學晶格中“最熱”的原子剔除。這一研究或許將可以被用來製造未來量子計算機的存儲器。

這種光學晶格內部交叉光線構成強度峰值區和凹槽區，有點像是蛋婁結構，而原子則會傾向於留在凹槽區內，這裡是能量最低的區域。當原子被加入到這些凹槽區中後，接下來再添加入其它後續的原子將變得愈發困難，這就是所謂的“障礙”效應。

但美國哈佛大學的研究人員發明了針對這一效應的修正版本，稱為“軌道交換障礙”效應。這種方法可以讓這些原子進一步冷卻到“皮度”(picoKelvin)級別，即絕對溫度以上一萬億分之一度的數量級。