采用载流导线构成的冷原子磁光晶格与磁晶格

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1、采用载流导线构成的冷原了磁光品格1J{；}}品格第一章：土献综进第一章文献综述§1．1引言根据交流斯塔克效应，光场与二能级原子相互作用的光学势由下式给出弘一铷+崧寿，式中6为激光的失谐量，，／，，为激光的光强饱和系数，r为原子跃迁的自然线宽。当激光频率相对原子共振频率是红失谐时(6<0)，原子将被吸引到光强最强处；反之，当激光频率为蓝失谐时(6>0)，原子将被排斥到光强最弱处。根据这一光学偶极囚禁原理，如果将冷原子装载于由多束激光相互干涉形成的周期性网状势阱中，即可在波腹或波节处实现冷原子的多维光学囚禁列阵，从而形成冷原子的空间周期性排列，类似于

2、固体物理中的“晶体结构”，称之为“光学晶格”。近几年来，光学晶格技术已被广泛应用于研究囚禁原子的铁磁性和反铁磁性质【1—3]，Sisyphus冷却、偏振梯度冷却与囚禁的动力学【4．5】，Raman冷却和绝热冷却【6-7]，波包动力学[8]，拉比振荡和布洛赫振荡【9—10】，量子传输与量子隧道效应【11—12】以及光通过原予光学晶格的Bragg衍射【13J等，为精确操控中性原子和研究某些基本物理问题提供了一种新的工具，并将在原子光学器件、集成原子光学乃至量子计算与量子信息处理等研究和应用中扮演越来越重要的角色。除了采用纯激光场的光学晶格以外，利用原

3、子和磁场的磁偶极相互作用，采用多维的载流导线列阵也可实现冷原子的磁囚禁或磁光囚禁列阵，从而形成冷原子磁品格或磁光晶格。在光学晶格中，由于不可避免地存在光子散射和辐射排斥效应，因此每个晶格位上的原子数小于1，总的原子密度不大。而磁晶格或磁光晶格则可很好地解决这个问题，使得每个晶格位上的原子数达到10。以上，晶格中的原子密度很高。类似地，原子磁晶格或磁光晶格也可广泛应用于各种磁囚禁行为，波包动力学，量子传输与量子隧道效应的研究以及采用冷原子的量子计算[14]，甚至用于制备一维、二维和三维的光子晶体等[15—18]。采用载流导线构成的冷蠓予磁光品格jj

4、磁品格笫一章：义献综述§1．2采用冷原子的光学晶格及其应用早在1968年，Letokhov提出了采用驻波场囚禁冷原子的物理思想[191。1977年，他又进一步提出了采用驻波激光场产生的周期性光学势实现原子气体的类晶体结构的建议【20】，为原子光学品格的提出、研究与制备奠定了基础。九十年代初，Courtois，Verkerk和Jessen等人在理论与实验上研究了冷原子在一维光学粘胶(opticalmolasses)中的动力学行为，量子化运动和磁学性质等[2l一23]。在此基础上，Prentiss提出了原子光学晶格的概念[24】，并由Petsas进行

5、了简单的综述与展望[25】。随后，Hansch和Salomon等人开展了有关冷原子光学晶格的实验研究[26．281，从而掀起了对光学晶格中各种物理问题的研究高潮。通过囚禁光束的不同几何形式的排列，可形成不同晶系和磁学性质的光学品格。传统的方法分为两大流派，一类是以德国的Hansch小组为代表的用2n束正交光束产生的n维光学晶格，另一类是以法国的Salomon小组为代表的用n+l束非『F交光产生的n维光学晶格。1．2．1用2n束正交光束产生n维光学晶格通常，一维驻波激光场由两束相向传播的偏振方向相互平行的线偏振激光或旋转方向相同的圆偏振光干涉而成，

6、如图1-1(a)所示，称为一维lin上lin和o+一D一光束。在两光束相遇区域干涉光强随空问周期性变化，且对原子产生正比予强度梯度的偶极囚禁力。图1-1(b)是一维驻波场的光强分布(周期是州2)或囚禁原子的一维光学势分布。冷原子被装载于～维驻波场中，当光场为红失谐时，冷原子将被囚禁于波腹处；而当光场为蓝失谐时，冷原子将被囚禁于波节处，从而形成一维的原予光学晶格，其晶格常数通常为z／2。对于特殊的光学晶格，其晶格常数可小于州2，也可大亍¨2。1993年，德国慕尼黑大学的Hansch小组采用如图1-2(a)所示的二对『F交的d+一D一光束构成的驻波场

7、来产生二维原子光学晶格【26】。通常，一维驻波激光场是由一束激光经一反射镜反射后干涉而成，故这样的驻波场在任何地方都存在着一个同采用载流导线构成的冷原了磁光品格一j磁品格第一章：史献综述定的时间位相延迟。在实验中，通常激光束是通过若干个光学窗口进入真空室的，由于光学窗口的镜面反射，导致了对射光束之间的非平衡性。二对光束间的位相和光强发生变化时将影响势阱的偏振状态和阱深等性质。为了解决这一问题，他们把激光输出的线偏振光经过类似于迈克尔逊干涉仪的系统五次反射后形成了具有相同线偏振的二维驻波场，并通过移动干涉仪中的一块反射镜，把二个正交驻波场的相位差牢

8、牢地控制在西=兀／2，以便得到稳定的矩形晶格，如图1-2Co)所示。由于相邻势阱底部的圆偏振方向是相反的，势阱的间隔为九／2，故这样的二