超冷里德堡原子的量子相干效应研究

Rydberg atoms have properties of the large size and the strong interactions. The strong interaction between Rydberg atoms make the energy of the nearby atoms shiftted and block the further excitation and form so called blockade effect. Combination with the electromagnetically induced transparency, Rydberg atom could be used to investigate the new phenomenon such as quantum interference, which make Rydberg atoms hot topic in the area of physcis of atoms and molecules. This project will invesitgate the quatnum coherence effect including EIT in Rydberg atoms ladder three-level system which is form with 6S-6P-nS/nD at the cesium sample. The investigation include four parts: 1) The investigation of EIT with consideration of the strong interaction between Rydberg atoms by using density matrix in theory. 2) The investigating the EIT effects of the Rydberg ladder three-level system in the ultrcold atoms sample with the temperature of a few hundred micro K experimentally. 3) The investigation of the dependence of the Rydberg quantum coherence on the strong interaction and the exteranl field, which will provide a mothed for measureing the interaction between atoms.4) The study of the blockade effect of Rydberg atoms and exploring of implementation of single photon quantum information storage based on the strong interaction between Rydberg atoms and EIT.

里德堡原子具有较大的原子半径和很强的长程相互作用等特性。其强相互作用使相邻的原子能级发生频移，进而阻止了相邻原子的进一步激发，产生激发阻塞效应。这一现象和光与原子相互作用的电磁感应透明相结合将会引起全新的量子干涉现象，使里德堡原子成为原子分子物理学的研究热点。 本项目以超冷铯原子为研究介质，由双光子激发光与6S-6P-nS/nD构建里德堡原子阶梯型三能级系统，理论和实验研究里德堡态三能级系统的电磁感应透明等量子相干效应。主要研究内容包括：1、理论上用密度矩阵理论研究里德堡原子间强相互作用条件下的量子相干效应。2、在温度约百微开的超冷原子介质中，研究里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明现象。3、研究原子间相互作用及外场诱导的偶极相互作用对量子相干的影响，提供测量原子相互作用的新方法。4、研究里德堡原子强相互作用产生的阻塞效应，探索基于里德堡原子强相互作用和电磁感应透明的单光子信息处理。

根据项目研究计划， 我们从理论和实验上研究了超冷里德堡原子阶梯型三能级系统的量子相干效应。由铯原子6S-6P-nS/nD构建了里德堡原子三能级系统，理论上数值求解包含里德堡原子相互作用项的密度矩阵方程，获得了阶梯型三能级原子的电磁感应透明（EIT）光谱；研究了三能级系统EIT和AT分裂的区别，首次提出了区分EIT和AT效应的标准；研究了射频场耦合里德堡原子的四能级系统的EIT-AT分裂光谱，获得了EIT-AT分裂与射频电场的依赖关系；利用Floquet理论计算了射频场调制里德堡能级产生的EIT光谱的AC Stark频移和分裂以及射频边带。实验上，我们建立了研究超冷里德堡原子相干效应的实验平台，获得温度约100uK的超冷铯原子样品；利用阶梯型三能级EIT光学非破坏性探测技术，研究了超冷里德堡原子的电磁感应透明和AT分裂效应，里德堡原子强相互作用导致的能级频移，里德堡原子的EIT-AT分裂光谱以及射频场调控的EIT光谱等量子相干效应，实验结果和理论计算相吻合。其中里德堡原子的射频边带光谱提供了一种测量0.1-3GHz射频电场强度、频率和偏振方向的新方法，扩展了基于里德堡原子微波电场测量的频带，具有重要的应用价值。超额完成了项目预期计划研究内容，达到了预期的研究目标。.. 主要研究成果发表相关的SCI论文20篇，其中 《Phys. Rev. Applied》 1篇，《Phys. Rev. A》5篇，《New J. Phys.》2篇, 《J. Phys. B》1篇，《Chin. Phys. Lett.》1篇, 《Chin. Phys.B》2篇，以及其他期刊论文8篇。申报发明专利3个，授权发明专利3个。获山西省自然科学奖二等奖一项。在项目的完成中毕业博士研究生3名，硕士研究生3名。