单原子量子调控研究取得重要进展

激光冷却的中性原子具有长的态相干时间,是量子计算、量子仿真、量子信息处理等研究领域的众多候选体系之一,对单个中性原子的操控是当前量子调控研究方面的难点和热点。武汉光电国家实验室的原子芯片团队,在单原子量子调控研究方面取得重要进展。该团队利用空间光调制器实现了独特的单原子全息光阱阵列,     

第五讲 基于激光冷却原子的超冷分子制备与外场操控

超冷分子的理论和实验研究近年来取得了令人瞩目的巨大成就,极大地拓展了原子分子光物理的研究范畴。围绕超冷分子的制备与应用开创了很多全新的研究领域,如超高分辨分子光谱、分子量子态操控、精密测量以及量子模拟等。当前超冷分子的高效密集制备主要采用基于激光冷却的超冷原子缔合技术来实现。文章综述了超冷分子缔合制备的研究现状,阐述了光缔合、Feshbach共振缔合、受激拉曼绝热跃迁以及超短脉冲光缔合产生超冷分子的物理机制与实验进展,对外场操控超冷分子的实验结果及其潜在应用做了概要展示。     

超冷单原子分子阵列

用光镊形成光阱囚禁单个原子、用激光将单个原子冷却到基态形成超冷原子、将超冷原子相干合成单个超冷分子、将单原子分子重排串成丰富多样的超冷单原子分子阵列,这就构成了精密相干可控的多粒子量子系统,为多种前沿科学研究与技术发展提供难得的量子平台.文章介绍近年来在单原子量子态高保真操控、异核原子量子纠缠、原子一分子耦合态相干控制...     

Dicke超辐射态的两原子、三原子产生的微激光

通过Ｄｉｃｋｅ超辐射态方法研究了两原子、三原子产生的微激光，并将所得到平均光子数和均方差与前文的原子跃态产生的结果进行比较，发现它们均表现出“稳定性优于单原子微激光”特点，但略有差别。     

超快强激光驱动的原子分子电离

强场电离是超快强激光与物质相互作用时发生的基本物理过程。强场驱动原子分子的电离电子动力学过程发生在一个光学振荡周期以内,是在阿秒时间尺度上研究电子超快动力学的典范。不仅如此,强场驱动下的超短电子束还为探测原子分子的结构及其超快动力学提供了重要的技术手段。文章首先简要阐述了超快强光场中原子分子电离的基本物理图像,在此基础上,介绍了近年来基于强场电离电子开展的超快过程研究的几个例子,最后简要讨论了强场电离研究的未来可能发展方向。     

强激光场下原子分子量子隧穿实验测量

强激光场下原子分子的多光子电离和隧道电离是极端条件下的量子现象,也是强场光物理中基本的动力学过程.测量原子分子在强激光场中的超快动力学对探索微观粒子内部结构和相互作用有重要意义.本文简述强场光电离中的基本概念和现象,并介绍强激光与原子分子相互作用研究中的重要仪器——冷靶反冲离子动量成像谱仪(COLT-RIMS),最后展...     

超冷~(87)Rb原子在二维光晶格中Mott绝缘态的实验实现

超冷原子气体的量子相变是研究量子关联多体物理的核心内容之一.本文采用单一激光光束通过折叠反射产生二维光晶格,通过控制激光偏振产生两种不同的二维光晶格结构,一种是两个独立的一维光晶格构成,另一种是两个方向的一维光晶格互相干涉形成.将超冷~(87)Rb原子装载到二维光晶格中,通过改变光晶格激光功率调控原子在光晶格中的隧穿强度和相互作用强度,观察到~(87)Rb原子从超流态到Mott绝缘态之间的量子相变,并且分析了两种光晶格对量子相变的影响,为今后开展光晶格中强关联物理研究奠定基础.     

K_2分子在强激光场下的量子调控:缀饰态选择性分布

利用含时量子波包法理论研究了分子在强激光场条件下的量子调控.选取K2分子的三态模型(基态|X〉、激发态|B〉和电离态|X+〉)作为研究对象.在强激光场的作用下,激发态|B〉缀饰成两个子态:|α〉态和|β〉态.分析K2分子电离后的光电子能谱,可以得到缀饰态|α〉和|β〉的能量和概率分布信息.同时,根据分子的缀饰态理论,提出了K2分子的缀饰态选择性分布方案.研究表明:调节激光场的强度可以实现对缀饰态能量的调控,改变激光场的波长可以实现对缀饰态概率的选择性分布.     

飞秒时间分辨质谱和光电子影像对分子激发态动力学的研究

分子量子态的研究,特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用,而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法,为实现分子内部量子态探测,研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具,可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理,并结合本课题组的工作,展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域,特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后,对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.     

双色场控制与测量原子分子超快电子动力学过程的研究进展

超短超快激光脉冲的出现为人们探索原子分子中超快电子动力学过程提供了强有力的工具.阿秒脉冲和强激光脉冲电场整形技术能够获得电子波包在亚飞秒时间尺度的动力学信息,发展出了一系列阿秒超快光谱学技术,如阿秒条纹相机、阿秒瞬态吸收谱等,成功地应用于原子、分子和固体中电子运动的探测.其中双色激光场就是通过电场整形技术实现电子相干运动控制和探测的一种重要手段,本文综述了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近几年来在双色场控制与测量原子分子超快过程方面的研究工作.     

表面单分子量子态的探测和调控研究进展

单分子体系是一种典型的受限量子体系,且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强,因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态,这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能.对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件.由于单分子体系的尺寸限制,宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测.扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力,高分辨的成像和谱学能力,可以实施原位的分子操纵,还可以与多种外场和局域场表征技术联用,是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具.本文撷取这一领域较为代表性的进展,介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状.首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段,然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性.对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系,分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍.最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望.     

阿秒脉冲的发展及其在原子分子超快动力学中的应用

在过去20年里,激光技术的发展使阿秒科学成为一个新的研究领域,可为量子少体超快演化过程的研究提供新视角.当前实验室中制备的阿秒脉冲以孤立脉冲或脉冲串的形式被广泛应用于实验研究中,其超快变化的光场允许人们操控和跟踪电子在原子尺度的运动,实现对亚飞秒时间尺度电子动力学的实时追踪.本综述聚焦于阿秒科学的重要组成部分,即原子分子超快动力学研究的进展.首先介绍阿秒脉冲的产生和发展,主要包括高次谐波原理和孤立阿秒脉冲分离方法;然后系统地介绍阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用,包括光电离时间延迟、阿秒电荷迁移和非绝热分子动力学等方面;最后对阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用进行总结和展望.     

钠蒸气中的双光子共振三光子电离和双光子混合共振三光子电离

在钠原子－分子混合样品中，分别运用双光子共振三光子电离以及双光子混合共振三光子电离，测得了钠原子４Ｄ态的电离流时间衰减曲线。由电离流与多光子动力学参数的关系，得到了４Ｄ态的光电离截面。     

隧穿四能级结构中超冷铯分子转换的最优化光场条件

本文利用一个具有隧穿耦合效应的四能级结构模型来描述超冷铯原子制备超冷铯分子的过程,理论分析了受激拉曼绝热通道过程中的两激光脉冲参数对铯原子-分子转换效率的影响。结果表明,在原子-分子暗态条件下,通过双色光缔合利用双光子共振条件的最优化处理方法可以使转换效率提高到90%以上,并给出了两激光脉冲参数的最优化区间。另外,通过分析原子态和束缚分子基态上粒子数布居的动力学演化,给出了光场的最优化条件,只有适当的匹配两激光场的有效Rabi频率、延迟系数和脉冲宽度时,才能高效地实现超冷铯原子-分子的相干布居转换。     

红外激光载波包络相位对氦原子的极紫外光(XUV)吸收谱的量子调控研究

本文通过数值求解双电子含时薛定谔方程, 研究了利用红外(IR)超短超强激光的载波包络相位(CEP)对氦(He)原子的极紫外光(Extreme Ultra-Violet, XUV)吸收谱进行量子调控的可能性. 当XUV作用到He原子上时, 原子存在两个电离通道: 无明显电子关联的直接电离和带强烈电子关联的间接电离(即通过双激发态自发电离). 两个通道相互干涉可在XUV吸收谱中形成人们所熟知的Fano共振线型, 并且谱线的形状由两个通道间的比例决定. 通过引入另外一束IR激光, 我们发现, 原子的XUV吸收谱将发生明显改变, 即伴随着超短脉冲CEP的改变而 呈现出从Fano线型到Lorentz线型的周期性连续变化. 上述结果表明, 通过合理地控制超短脉冲的CEP可以有效地调控两个电离通道之间的量子干涉, 进而为探测和操控原子中的极端超快电子关联提供可能.     

钠蒸气中的双光子共振三光子电离和双光子混合并振三光子电离

在钠原子－分子混合样品中，分别运用双光子共振三光子电离以及双光子混合共振三光子电离，测得了钠原子４Ｄ态的电离流时间衰减曲线。由电离流与多光子动力学参数的关系，得到了４Ｄ态的光电离截面。     

Cs原子6P→7P态能量积聚效应的温度特性研究

利用外腔半导体激光器852.1nm激光将Cs原子共振激发到6P态,对Cs原子6P→7P态能量积聚效应的温度特性进行了实验研究.随温度的升高,共振荧光强度增大,同时双峰间隔增大,并作了分析和讨论 关键词： Cs原子 能量积聚效应 外腔半导体激光器 共振荧光     

线性三原子分子振动激发控制的李代数方法

采用李代数方法研究线性三原子分子在强红外激光场中的多光子激发及其控制,实现了态选择激发,并讨论了激光脉冲对控制的影响. 关键词： 多光子 李代数 激光     

超冷铯(60D5/2)2 Rydberg分子的双色光缔合光谱

本文主要从理论和实验上研究超冷铯（60D_5/2）₂ Rydberg分子的双色光缔合光谱.数值计算了铯60D_5/2 Rydberg原子对态的长程电多极相互作用和（60D_5/2）₂ Rydberg分子的绝热势能曲线,获得了（60D_5/2）₂ Rydberg分子的势阱深度和平衡间距.实验上利用双色光缔合超冷铯原子的方法制备了（60D_5/2）₂ Rydberg分子.其中,第一色激光（pulse-A）双光子共振激发种子Rydberg原子A;第二色激光（pulse-B,失谐于分子的束缚能）共振激发第二个Rydberg原子B,原子A与B由分子势阱束缚形成超冷（60D_5/2）₂ Rydberg分子.由脉冲场电离探测技术获得Rydberg分子的光缔合光谱,测量的Rydberg分子的势阱深度与理论计算结果相一致.     

基于方波脉冲外场的超冷原子-分子绝热转化

基于受激拉曼绝热通道技术,研究了方波脉冲外场下的超冷原子-双原子分子转化.运用绝热保真度的方法,详细分析了该原子-分子转化系统相干布居俘获态的动力学演化过程.研究发现,相干布居俘获态的最终绝热保真度随脉冲激光强度的变化呈现出大幅度的周期振荡.这表明本文所设计的方波脉冲方案与高斯脉冲方案相比具有明显的优势,可以在较小的脉冲激光强度下达到较高的绝热保真度并实现较高效率的超冷原子-分子转化.