里德堡態(tài)是一種被激發(fā)到主量子數(shù)很大的特殊的原子能態(tài),其具有一系列特性,如;較大的原子半徑,較小的能級(jí)間隔,長(zhǎng)壽命,較大的極化率及強(qiáng)偶極-偶極相互作用等。而基于以上特點(diǎn),里德堡原子不僅可以作為探測(cè)外場(chǎng)的媒介,也廣泛用于量子邏輯門及量子中繼器等。而利用單光子躍遷激發(fā)方案制備的里德堡原子,由于不存在中間態(tài)引入的退相干機(jī)制,因此適合制備兼具基態(tài)長(zhǎng)壽命及里德堡態(tài)強(qiáng)相互作用的綴飾態(tài)。本文以研究高激發(fā)里德堡態(tài)的單光子制備及長(zhǎng)時(shí)間俘獲為目的,基于實(shí)驗(yàn)室自制的高功率窄線寬紫外激光系統(tǒng),結(jié)合理論及實(shí)驗(yàn)開展了室溫原子氣室中133Cs的里德堡態(tài)制備及魔術(shù)波長(zhǎng)偶極阱俘獲里德堡態(tài)原子的工作,主要內(nèi)容如下:1.介紹了里德堡態(tài)原子的基礎(chǔ)知識(shí)及特性,介紹了里德堡態(tài)的光學(xué)制備方案及應(yīng)用前景。2.介紹了量子虧損的基本概念,利用量子虧損理論計(jì)算了銫原子6S1/2基態(tài)到nP3/2（n=70-100）里德堡態(tài)的量子虧損;根據(jù)量子虧損和原子參數(shù)計(jì)算出了對(duì)應(yīng)躍遷線的躍遷能量,并在室溫原子氣室中實(shí)現(xiàn)了單光子躍遷里德堡激發(fā),并測(cè)量了量子虧損。3.介紹了偶極阱的基本概念,利用多能級(jí)模型通過計(jì)算銫原子nP3/2態(tài)的極化率得到了針對(duì)銫原子6S... 

【文章來源】：山西大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

里德堡原子的激發(fā)方案

第一章緒論3案中的激發(fā)光而誘導(dǎo)AC-Stark頻移，因此避免了額外的退相干機(jī)制的引入。因此即使單光子激發(fā)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的難度相對(duì)較大，對(duì)于如里德堡綴飾基態(tài)[16]或綴飾磁光阱[17]等對(duì)原子相干性要求較高的研究工作來說，利用紫外激光直接耦合基態(tài)與里德堡態(tài)依然是最優(yōu)選擇。1.3里德堡原子應(yīng)用前景基于里德堡態(tài)間的強(qiáng)相互作用和較大的極化率等特點(diǎn)，近年在電場(chǎng)傳感、量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域，里德堡原子都是研究的熱點(diǎn)。由于堿金屬里德堡態(tài)原子具有較大的電偶極矩，原子間存在著很強(qiáng)的短程及長(zhǎng)程相互作用，如圖1.2為里德堡原子間相互作用勢(shì)隨距離的變化。當(dāng)兩原子間相互作用大于激光與原子相互作用能時(shí)，一定的空間區(qū)域內(nèi)將只會(huì)激發(fā)一個(gè)里德堡原子，出現(xiàn)里德堡阻塞效應(yīng)[11]，且主量子數(shù)越大，阻塞效應(yīng)越明顯。因此高激發(fā)里德堡態(tài)間能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)的長(zhǎng)程耦合。圖1.2里德堡態(tài)原子間的相互作用[10]許多課題組都開展了基于里德堡態(tài)的相關(guān)研究工作。2000年及2001年Lukin及Zoller等人就分別提出了基于里德堡態(tài)中性原子的量子邏輯門[18]和量子信息的想干操控[19]理論；2009年美國(guó)Saffman研究小組基于里德堡原子的阻塞效應(yīng)，在兩個(gè)相距~10μm、腰斑10μm的ODT中分別制備兩個(gè)里德堡原子，對(duì)調(diào)控目標(biāo)原子的量子態(tài)相位以及激發(fā)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了基于里德堡態(tài)的C-NOT門[20]，其相互作用距離相較傳統(tǒng)的中性原子糾纏長(zhǎng)度長(zhǎng)三個(gè)數(shù)量級(jí)。2010年，Zoller等人也基于里德堡原子間的強(qiáng)相互作用，對(duì)本地量子糾纏的確定性產(chǎn)生、交換和純化等進(jìn)行了研究，基于里德堡原子的量子中繼器的糾纏分布速率相比傳統(tǒng)的中繼器高兩

第二章銫原子里德堡態(tài)的量子虧損及實(shí)驗(yàn)測(cè)量7246,0246000...nlnnn(2-3)對(duì)于主量子數(shù)n很大的中性原子的高激發(fā)里德堡態(tài)，式(2-3)僅需考慮前兩項(xiàng)，對(duì)于銫原子nP3/2里德堡態(tài)，對(duì)應(yīng)的0和2參數(shù)可通過查閱[1]得到。圖2.1為利用式(2-3)計(jì)算得到的銫原子nP3/2(n=50~100)各態(tài)的量子虧損，可見銫原子nP3/2態(tài)的量子虧損隨著n的增加而逐漸的減校圖2.1.(左)銫原子nP3/2(n=50-100)態(tài)的量子虧損計(jì)算結(jié)果。在n很大時(shí)，量子虧損值近似不再隨著n而變化。(右)對(duì)應(yīng)6S1/2基態(tài)到nP3/2(n=70-100)里德堡態(tài)的躍遷能量。得到了對(duì)應(yīng)不同n的量子虧損值后，就可通過式(2-1)對(duì)銫原子基態(tài)到里德堡態(tài)的躍遷能量進(jìn)行計(jì)算。基于實(shí)驗(yàn)需求，銫原子6S1/2基態(tài)到nP3/2(n=70-100)里德堡態(tài)的躍遷能量如圖2.1(右)所示，在主量子數(shù)n很大的高激發(fā)態(tài)，能級(jí)間隔逐漸減校2.2室溫銫原子氣室中的nP3/2里德堡態(tài)激發(fā)由二能級(jí)原子與光場(chǎng)相互作用得到的Rabi頻率表達(dá)式[30]：021Exe(2-4)光與原子的相互作用強(qiáng)度主要取決于原子1態(tài)到2態(tài)的躍遷矩陣元21x以及光場(chǎng)的強(qiáng)度E02，對(duì)于里德堡態(tài)來說，由于基態(tài)到里德堡態(tài)的躍遷矩陣元較小，高激發(fā)里德堡態(tài)的單光子激發(fā)躍遷概率低；同時(shí)由于高激發(fā)里德堡態(tài)的能級(jí)間隔很小，自然線寬窄，因此實(shí)驗(yàn)中我們自制了一套高功率、窄線寬、頻率可連續(xù)調(diào)諧的紫外激光系統(tǒng)[31,32]用于實(shí)現(xiàn)里德堡的單光子制備。而即使采用很高功率的激發(fā)光進(jìn)

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