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,較小的能級間隔,長壽命,較大的極化率及強偶極-偶極相互作用等。而基于以上特點,里德堡原子不僅可以作為探測外場的媒介,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)引入的退相干機制,因此適合制備兼具基態(tài)長壽命及里德堡態(tài)強相互作用的綴飾態(tài)。本文以研究高激發(fā)里德堡態(tài)的單光子制備及長時間俘獲為目的,基于實驗室自制的高功率窄線寬紫外激光系統(tǒng),結(jié)合理論及實驗開展了室溫原子氣室中133Cs的里德堡態(tài)制備及魔術波長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)原子的基礎知識及特性,介紹了里德堡態(tài)的光學制備方案及應用前景。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)計算出了對應躍遷線的躍遷能量,并在室溫原子氣室中實現(xiàn)了單光子躍遷里德堡激發(fā),并測量了量子虧損。3.介紹了偶極阱的基本概念,利用多能級模型通過計算銫原子nP3/2態(tài)的極化率得到了針對銫原子6S... 

【文章來源】：山西大學山西省

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學位級別】：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AC-Stark頻移，因此避免了額外的退相干機制的引入。因此即使單光子激發(fā)在實驗上實現(xiàn)的難度相對較大，對于如里德堡綴飾基態(tài)[16]或綴飾磁光阱[17]等對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里德堡原子應用前景基于里德堡態(tài)間的強相互作用和較大的極化率等特點，近年在電場傳感、量子光學和量子信息領域，里德堡原子都是研究的熱點。由于堿金屬里德堡態(tài)原子具有較大的電偶極矩，原子間存在著很強的短程及長程相互作用，如圖1.2為里德堡原子間相互作用勢隨距離的變化。當兩原子間相互作用大于激光與原子相互作用能時，一定的空間區(qū)域內(nèi)將只會激發(fā)一個里德堡原子，出現(xiàn)里德堡阻塞效應[11]，且主量子數(shù)越大，阻塞效應越明顯。因此高激發(fā)里德堡態(tài)間能夠?qū)崿F(xiàn)強的長程耦合。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Saffman研究小組基于里德堡原子的阻塞效應，在兩個相距~10μm、腰斑10μm的ODT中分別制備兩個里德堡原子，對調(diào)控目標原子的量子態(tài)相位以及激發(fā)動力學過程進行了研究，實現(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)的中性原子糾纏長度長三個數(shù)量級。2010年，Zoller等人也基于里德堡原子間的強相互作用，對本地量子糾纏的確定性產(chǎn)生、交換和純化等進行了研究，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)的量子虧損及實驗測量7246,0246000...nlnnn(2-3)對于主量子數(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，對于銫原子nP3/2里德堡態(tài)，對應的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)的量子虧損計算結(jié)果。在n很大時，量子虧損值近似不再隨著n而變化。(右)對應6S1/2基態(tài)到nP3/2(n=70-100)里德堡態(tài)的躍遷能量。得到了對應不同n的量子虧損值后，就可通過式(2-1)對銫原子基態(tài)到里德堡態(tài)的躍遷能量進行計算�；趯嶒炐枨螅C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)由二能級原子與光場相互作用得到的Rabi頻率表達式[30]：021Exe(2-4)光與原子的相互作用強度主要取決于原子1態(tài)到2態(tài)的躍遷矩陣元21x以及光場的強度E02，對于里德堡態(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；同時由于高激發(fā)里德堡態(tài)的能級間隔很小，自然線寬窄，因此實驗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

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Stable continuous-wave single-frequency intracavity frequency-doubled laser with intensity noise suppressed in audio frequency region[J]. 高英豪,李淵驥,馮晉霞,張寬收.  Chinese Physics B. 2019(09)
[2]瓦級319 nm單頻連續(xù)紫外激光的實現(xiàn)及銫原子單光子Rydberg激發(fā)[J]. 王軍民,白建東,王杰英,劉碩,楊保東,何軍.  中國光學. 2019(04)
[3]銫原子nP3/2（n=70—94）里德伯態(tài)的紫外單光子激發(fā)及量子虧損測量[J]. 劉碩,白建東,王杰英,何軍,王軍民.  物理學報. 2019(07)
[4]基于聲光頻移器反饋控制的397.5 nm紫外激光功率穩(wěn)定研究[J]. 白樂樂,溫馨,楊煜林,劉金玉,何軍,王軍民.  中國激光. 2018(10)
[5]弱射頻場中Rydberg原子的電磁感應透明[J]. 楊智偉,焦月春,韓小萱,趙建明,賈鎖堂.  物理學報. 2017(09)
[6]量子光力系統(tǒng)中激光額外噪聲的高效抑制（英文）[J]. 張新艷,李宗陽,李永民.  光子學報. 2015(08)
[7]銫原子里德堡態(tài)Stark能量及電偶極矩的測量和理論計算[J]. 李昌勇,張臨杰,趙建明,賈鎖堂.  物理學報. 2012(16)
[8]堿原子高里德堡態(tài)的極化率[J]. 何興虹,李白文,張承修.  物理學報. 1989(10)



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