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武汉物数所在激光冷原子研究方面取得新进展

2013-04-15 09:55
Timeless落尘
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  激光冷却为研究量子光学、量子信息和量子模拟中的物理问题建立了实验平台。在对中性原子进行冷却过程中,为了简化实验装置和获得数目多的冷原子,半导体锥形放大器(Tapered Amplifier ,TA)是当今普遍利用的激光工具。当多个频率的激光成分同时注入到半导体锥形放大器时,由于固体材料的非线性效应,会有多个频率边带的产生。研究这些边带产生的性质及其对激光冷却的影响,能够更好地操控光和原子之间的相互作用,提高囚禁原子的数目,为实现量子简并气体准备条件。

  武汉物数所江开军研究员带领的超冷量子系统研究组在对多种原子同时进行冷却过程中,将两个频率成分同时注入到半导体锥形放大器中。利用外差法和法布里-珀罗干涉仪对边带频率成分进行测量,获得了边带产生效应随双频激光的频率差、注入激光的功率和放大芯片的工作电流的依赖关系。在对钾原子进行冷却实验中,冷却光和回泵光同时注入到半导体锥形放大器中。对于钾41,两激光的频率差较小(254MHz),囚禁原子数目由于边带效应减少了一个数量级;对于钾40,两激光的频率差较大(1.3GHz),边带效应小,对囚禁原子的数目没有明显影响。此研究表明,半导体锥形放大器中的边带效应对激光冷却有明显的影响。

  该研究得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金青年基金和科技部“973计划”的支持。

  激光冷却技术发展历程

  激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。激光冷却气体原子技术及其在科学技术中的应用是近二十年来发展十分迅速的研究领域。1997年度的诺贝尔物理学奖颁发给了美国斯坦福大学的朱棣文( Steven Chu)、美国国家标准与技术研究所的菲利普斯(William D.Phillips)和法国巴黎高等师范学院的科昂.唐努日( Claude N. Cohen-Tannoud ji), 表彰他们在激光冷却和捕陷气体原子研究中所做出的突出贡献。2002年度的诺贝尔物理学奖, 授予美国科学家维曼( Carl E. Wieman )、康奈尔( Eric A.Corne ll)和德国科学家克特勒(Wolfgang. Ketterle), 表彰他们在实现玻色-爱因斯坦凝聚工作中做出的突出贡献。近期两届诺贝尔物理奖均授予了同一领域的两项成果, 说明这是一个极其重要和活跃的前沿研究领域, 特别是这些研究结果为当今高新技术的发展打下了基础, 并将对二十一世纪科学技术的发展带来深远的影响。

  人类在很久以前就认识到光具有压力, 称光压。牛顿在观察星空时就发现彗星在宇宙间运动时, 彗尾总是背向太阳。他认识到光有压力。在历史上很多的科学家曾进行过光压的实验, 但只能观察到很微弱的现象。直至激光问世之后, 光的辐射压力才有可能成为倍受关注的研究问题。激光是相干光, 当相干光与原子共振时, 原子吸收光子的截面很大, 原子受到的光压就很大。实际上共振光压比重力大10万倍。因此, 光的力学效应就是一个不可忽略的物理效应了。1976年汉斯( T. Hansch)和肖洛( A. Schaw low )以及瓦恩兰( D. W ineland)和德默尔特(H. Dehmelt)各自独立地提出了激光冷却气体原子的建议; 其物理思想是建立在光与原子相互作用的过程中动量交换的基础上, 通过动量交换形成光的辐射压力, 从而控制原子的外部运动和降低原子运动的速度。

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