冷原子双色磁光阱及相关问题研究

磁光阱已作为一种标准的基于激光冷却与俘获中性原子的工具，极大地推动了冷原子物理的发展，在精密测量、量子频标、量子信息处理、量子保密通讯等领域具有重要的意义。一种新的激光冷却与俘获中性原子的磁光阱- - 双色磁光阱，目前还处于起步研究阶段，它的物理机理以及应用价值均有待深入研究。本项目拟在我们研究小组已经掌握的基于激光冷却与俘获单原子的实验以及对原子激发态量子相干研究的工作基础上，针对双色铯原子磁光阱的关键问题展开研究。主要内容包括：1）、双色铯原子磁光阱激光系统研究。2）、双色铯原子磁光阱特性及其冷却机理研究。3)、双色单原子磁光阱的特性及其荧光光子统计性质研究；以及基于双色磁光阱的机理，结合四波混频原理探究自由空间中原子定向辐射光子的问题。4）、探索双色磁光阱中冷原子产生纠缠光子对的可能性。

双色磁光阱作为一种新型的冷却、俘获原子的技术，由于其级联的双色冷却激光与所俘获原子之间的量子相干效应，使得双色磁光阱具有极为丰富的物理和诱人的应用前景，如量子保密通讯，信息存储，微弱信号的无背景探测等。. 在2012-2014年度期间，紧密围绕项目计划书中的主要研究内容，目前取得的典型成果如下：（1）建立了铯原子6S1/2-6P3/2-8S1/2（852.3nm+794.6nm）的双色磁光阱的激光频率控制系统；(2）基于一对794.6nm的冷却光束取代传统磁光阱中的一对852.3nm冷却光束的双色磁光阱构型，详细测量了实验参数对这类双色磁光阱的影响，首次发现单光子共振于6P3/2(F'=5)-8S1/2(F"=4)跃迁线的794.6nm冷却光和强的852.3nm的冷却光会显著加热原子，从而限制双色磁光阱中冷原子的装载；（3）实验上首次实现了双色磁光阱中冷原子荧光信号的无背景探测，为微弱信号（如单原子）的高信噪比探测，以及冷原子荧光光子统计特性的测量奠定了基础；（4）提出并实现了一种新型的双色磁光阱构型，即852.3nm和794.6nm的双色冷却激光束采取对射的方式，为基于菱形能级构型的四波混频原理在双色磁光阱中直接产生关联光子对提供了实验的基础；同时，发现这种双色磁光阱可从双光子负失谐到双光子正失谐处均可有效俘获原子，而且在双光子正失谐处俘获原子，不再要求上能级之间的794.6nm的冷却光强度足够强，即能俘获原子的实验参数范围扩大，是一种灵活的双色磁光阱光路布置方式，便于实际的应用；（5）建立了铯原子6S1/2-6P3/2-7S1/2（852.3nm +1470nm）的双色磁光阱的激光频率控制系统，并初步实现了其对原子的俘获。这些研究成果，对双色磁光阱的深入研究和潜在的应用具有重要参考价值。. 当然，在双色磁光阱中，存在多种冷却机制，如单、双光子多普勒冷却，相干布局数俘获，以及量子相干效应和冷原子的碰撞等，这些因素对原子的俘获既相互促进，又相互制约，使得在不同的实验参数范围，双色磁光阱实验结果呈现多样化，也使得理论上模拟双色磁光阱是一个极大的挑战。另外，双色磁光阱中俘获原子的数目相对于传统磁光阱要少一个数量级，这可能制约双色磁光阱的应用。这些问题，均需进一步研究，特别是设法提高双色磁光阱中冷原子的数目和其有效的利用率，无疑对其进一步应用具有重要的现实意。