超冷铯里德堡原子强相互作用下的电磁感应透明效应

Highly excited Rydberg atoms with large radius and high polarizability can be conveniently manipulated by the external field. The strong dipole-dipole and long range Van de Waals interactions between Rydberg atoms combined with interactions between light and atoms will obviously affect the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) effect, leading to novel physical phenomenon, which provide the possibilities for Quantum Information Process (QIP) and Quantum Simulation (QS)..This project investigates the EIT effect in the presence of strong Rydberg atoms interactions mainly in ultracold Cesium atoms generated through laser cooling and excitations 6s1/2→6p3/2→ns/nd, which consists of following parts: a. Establishing the full quantum model of light-matter interactions which includes the terms of strong interactions between Rydberg atoms. Simulating the evolution of dark-state polaritons stemmed from EIT with Monte-Carlo method. 2. Enhancing the interactions between Rydberg atoms by increasing the atoms density using optical dipole traps. Then measuring the dependences of EIT on strong Rydberg atoms interactions. 3. Investigating the evolutions of dark-state polaritons by controlling the transitions of Rydberg states with microwave fields, which provide the evidences for quantum information storage.

高激发态里德堡原子半径大极化率高，极易被外场操控。里德堡原子间具有很强的偶极-偶极和长程范德瓦尔斯相互作用。在其强相互作用背景下，里德堡原子与光场的相互作用将影响电磁感应透明等量子相干效应，产生新奇的物理现象，里德堡原子与量子光学相结合为量子信息存储和量子模拟提供了新的可能。.本项目通过激光冷却以及双光子激发6s1/2→6p3/2→ns/nd制备超冷铯里德堡原子，研究里德堡原子强相互作用下的电磁感应透明效应。主要内容包括：1.理论上通过建立包含原子间强相互作用的光与原子相互作用全量子模型，计算强相互作用下的电磁感应透明现象，并利用蒙特卡洛方法模拟基于电磁感应透明现象形成里德堡暗态极子的演化。2.在超冷铯里德堡原子系综中，通过光学偶极阱提高原子密度，增强里德堡原子间相互作用，实验测量电磁感应透明效应的变化。3.利用微波控制里德堡能级跃迁，研究里德堡暗态极子的演化，为光信息存储奠定实验基础。

基于里德堡原子的量子相干效应能够使精密测量达到很多传统测量方式无法获得的测量精度和安全性，是当前关乎国家综合科技实力提升以及国家安全的重要研究领域。该项目以铯里德堡原子为实验介质，分别在热原子蒸汽池以及冷里德堡原子环境下，进行了与精密测量相关的基础性实验以及应用开发。主要包括了弱磁场下里德堡原子塞曼分裂与磁场的线性依赖关系以及激发光偏振引起的分裂强度变化，为利用里德堡原子进行微弱磁场测量提供理论基础；里德堡原子精细结构的跃迁强度比，观测了里德堡原子相互作用引起的激发阻塞效应对跃迁强度的抑制作用，并且获得了不同精细结构跃迁强度比随主量子数的变化关系；利用俘获损耗技术进行里德堡原子的无损探测，并且通过对激发光进行调制解调，将信噪比提高了至少30dB以上；设计了基于里德堡原子蒸汽池的微波场二维测量的装置并获得专利授权，为进一步利用里德堡原子的量子相干效应进行微波场精密测量以及成像提供条件。