表面等离子体激元与超冷87Rb原子耦合效应的理论和试验研究

Achieving precise manipulation of single atom and the strong coupling between single photon and atom is the key for the future development of quantum technology. Optical micro cavity is a major component that enable coupling between photons and atoms. However, but the size of optical micro cavity is too large to meet the requirements of on-chip integration of photonic circuits. Surface plasmon polaritons (SPPs) can confine the light field into subwavelength scale. Thus it is possible to achieve the manipulation of ultracold atoms in sub-diffraction-limited scale through SPPs. Moreover, SPPs can cause the near field enhancement and its propagation velocity is far less than the velocity of light in free space, Therefore, many researcher deem that it is a new ways of achieving strong coupling between photons and cold atoms. According to these, we propose here to research the interactions SPPs with cold atoms and build the corresponding physical model. We will study the interaction SPPs with ultracold 87Rb atoms by using the means of prism coupling. Research will focus on the coupling effect between SPPs mode and ultracold 87Rb atoms. The purpose is to reveal the physical mechanisms and determine the main factors affecting the coupling efficiency. On this basis, we will develop the methods and techniques that can control the coupling between the SPPs mode and cold atoms. In addition, we also design and fabricate the new type of micro-nano structures, which can tailor the SPPs, and then realize the manipulation of ultracold 87Rb atom cloud by the tailored light field.

实现单个原子的精确操控以及单光子和原子之间的强耦合是发展未来量子技术的关键。微型光学腔是目前进行光子和原子间耦合的主要元件，但微型光学腔尺寸大不能满足未来光子回路和片上集成的要求。表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)能将光场束缚在亚波长尺度内，因此有可能实现亚衍射极限尺度的超冷原子操控，它还具有的近场增强特性和慢的传播速度，因此被视为实现光与冷原子间的强耦合的新途径。据此本项目提出研究SPPs与冷原子间的互作用，建立两者互作用的物理模型。通过棱镜耦合对SPPs与超冷87Rb原子的互作用进行试验研究，重点研究SPPs模与超冷87Rb原子间的耦合效应，揭示其中的物理机制，确定影响耦合效率的主要因素，在此基础上发展出调控SPPs模与冷原子间耦合的方法与技术。研制新型SPPs结构，通过该结构对光场进行剪裁，进而实现剪裁光场对超冷87原子团的操控。

本项目旨在研究SPPs与冷原子间的互作用，建立两者互作用的物理模型，在此基础上重点研究SPPs模与超冷87Rb原子间的耦合效应，揭示其中的物理机制。在此基础上发展出调控SPPs模与冷原子间耦合的方法与技术。研制新型SPPs结构，通过该结构对光场进行剪裁，力求实现剪裁光场对超冷87Rb原子团的操控，为发展新型微小型以及亚波长尺度的量子传感器做出有益的探索，并摸索一套可采用实验技术手段。本研究取得的主要进展和重要结果具体如下： 通过本项目支持，根据研究冷原子与SPPs间互作用的要求，设计出了多种的金属/介质复合SPPs 聚焦结构，这些结构在宽的光波段（532-850nm）能产生亚衍射极限聚焦光场，同时能实现大距离的焦距动态的调控，以及实现光束聚焦、偏转、多焦点等功能，与现有同类结构相比，设计的SPPs 透镜的结构大幅度简化、结构参数要求明显降低。同时，搭建了一套能够测量与操控超冷87Rb 原子与SPPs 互作用的试验装置，实现了高质量冷原子团的制备，通过该装置进行了操控冷原子与SPPs 耦合的试验。系统掌握了小型高性能MOT的设计与研制以及相关的激光光路、控制系统软件、硬件、低噪声探测器等方面的关键技术。研究了超冷原子团与SPPs结构产生的近场光之间的相互作用效应，明确了冷原子团参数与SPPs 激发光参数之间的部分依赖关系。