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技术教程|TOPTICA—在基于激光冷却的量子技术中的解决方案

日期：2023-02-02 浏览量：370

▍原子的激光冷却和磁光阱

多普勒冷却
西西弗斯/偏振梯度冷却和光学黏胶
拉曼冷却、边带冷却和新颖的激光冷却方案
磁光阱（MOT）
原子喷泉
原子光刻
光学偶极阱

在过去的一个世纪里，许多关于物质波和光与原子之间相互作用的实验和理论研究为现代原子光学及其在研究和工业中的应用铺平了道路。激光冷却中性原子是在1985年左右首次得到证明的。1997年，诺贝尔奖被授予朱棣文、 Claude Cohen-Tannoudji和William D. Phillips，因为他们“开发了用激光冷却和捕获原子的方法”。

随后，许多不同的激光冷却和捕获机制已经被证明，甚至更多的原子已经被激光冷却。最终温度在微开尔文范围内，比外太空的任何地方都冷很多数量级，只比绝对零度高出几百万分之一度。激光冷却的原子真的是一件很酷的事情！它们是应用量子技术的核心，用于研究基础量子技术的许多方面，如一般的原子-光相互作用、玻色-爱因斯坦凝聚或简并费米气体。

▍激光冷却

激光冷却是通过对一组原子施加特殊的光场或光脉冲来实现的，例如来自背景蒸汽或热光束的光脉冲。光子和原子之间以这样一种方式交换能量和动量，使原子失去动能。它们要么经历导致原子直接冷却的摩擦力，要么原子被光学泵浦到特定的量子力学状态（例如谐波陷阱中的振动状态），能量较低。后者的方案被安排成在最低运动状态下，原子不再散射光子。原子光学中最常用的激光冷却方案是多普勒冷却和偏振梯度或西西弗斯冷却。拉曼激光冷却和（可分辨的）边带冷却有时与捕获原子一起使用，并且更频繁地用于陷阱中的离子。更奇特但物理上也很有趣的激光冷却方案是VSCPT（速度选择相干布居捕获）和去极化/退磁冷却。

▍按原子序数排序的激光冷却中性原子元素

H，抗-H， He*， Li， Ne*， Na， Mg， Al， Ar*， K， Ca， Cr， Fe， Ga， Kr， Rb， Sr， Ag， Cd， In， Xe， Cs， Ba， Eu*， Dy， Ho， ER， Tm， Yb， Hg， Fr， Ra（未完待续）

（随时通知我们失踪的原子种类并赢得TOPTICA杯）

▍磁光俘获

磁光阱将激光冷却的摩擦力与取决于原子位置的“恢复”力结合在一起。为了实现位置相关力，磁四极场与三对正交反向传播激光束在磁光阱（MOT）中心相交，磁场为零的位置。因此，位置相关的塞曼效应与圆极化和激光束的频率相互作用，使得原子总是被推向MOT中心。大多数激光冷却元素也被困在MOT中。典型的原子数范围从几千到几十亿，温度在微到毫开尔文范围内，密度通常为10e8到10e11原子/立方厘米。

▍原子光刻和光偶极陷阱

原子光刻和光偶极陷阱是基于所谓的偶极力。激光在原子中诱导振荡的电偶极子，与激光束本身的电场相互作用，形成保守的光学势阱。光学势阱随激光强度而变化，其梯度产生偶极力。如果激光频率低于原子共振频率，原子偶极子和电场同相振荡，光学势为负。原子向光场强度最大的方向经历偶极力。然后，紧密聚焦的激光束可以在其焦点的中心捕获原子，并形成所谓的光镊子或光偶极陷阱。更复杂的光陷阱是通过一维、二维甚至三维的反向传播激光束形成1-d、2-d甚至3-d光晶格来创造的。这些光学晶格是由光制成的完美晶体，在每半波长（典型值<1μm）上强度最大。这些光晶格被用来研究和模拟有被困原子的固态物理。光学势也可以用来为原子射线生成透镜，扭转了物质和光的传统角色，其中物质的排列（例如玻璃透镜）被用来聚焦一束光。在原子光刻中，一束原子通过特殊的光束配置和发送，并由该光透镜聚焦到衬底上，在那里它形成纳米级的原子结构。

▍TOPTICA在基于激光冷却的量子技术中的解决方案

量子技术应用需要特殊的甚至定制的激光器，根据最新的发展和不断变化的科学研究课题，激光器的需求总是不断变化：激光系统必须在所需波长下提供足够的功率。线宽必须低于原子跃迁的线宽（典型值。兆赫兹，但在最近的实验中也在千赫兹甚至赫兹范围内）或原子跃迁与所需激光频率之间的差异。无跳模精细调谐，即非常精确地调整激光频率，允许人们将激光频率设置甚至稳定在接近原子跃迁频率的明确位置。即使是复杂的激光系统也必须易于操作，因为现在越来越多的激光器必须同时可靠地工作才能取得实验成功。激光的远程数字控制是另一个日益重要的特征。

TOPTICA是全球大多数研究团体和量子技术行业的此类激光系统的主要供应商。二十多年来，我们以始终处于研究前沿的产品质量和灵活性而闻名。我们不断开发新的激光系统，并根据客户的需求开放特殊解决方案。TOPTICA拥有深厚的量子技术背景，了解您的应用和要求。请联系我们讨论您的计划细节。

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