镱原子三重态跃迁魔幻波长的测量

Magic wavelength，as a special tool in atom trapping，has been widely used in many experiments. In optical lattice atomic clocks, where magic wavelength was mostly used, magic wavelength is for the clock transition. In this program, magic wavelength is for the transition to the triplet state for laser cooling in the optical dipole trap. Magic wavelength for this transition makes atoms in the single optical dipole trap get optimum laser cooling, thus more atoms could be squeezed and loaded into the optical dipole trap. Magic wavelength for this transition could be used in a variety of atomic physics experiments, including Bose-Einstein condensate, quantum control and atomic permanent electric dipole moment(EDM) measurement. In the calculation of this magic wavelength, we find 1035 nm is convenient for high power fiber laser generating big depth optical dipole trap. However, 1035 nm is very close to a transition wavelength from the triplet state to a higher d state, and the current calculations disagree with the measurement by about 5 nm. The big uncertainty motivates this experimental program. We plan to use the Yb Mageto-optical trap(MOT) and the dipole trap to measure the magic wavelength with error bar down to 0.1 nm via MOT depletion spectroscopy method so that the loading of Yb atoms from MOT to optical dipole trap could be optimized.

魔幻波长作为原子囚禁中的一个有力工具被广泛应用在很多实验研究中。在其应用最广泛的光晶格原子钟领域，所涉及的魔幻波长是针对光钟跃迁。本项目研究的魔幻波长针对的是镱原子的三重态激光冷却跃迁。该跃迁的魔幻波长可以使原子在单个光偶极阱中得到最佳的激光冷却，从而可以使更多的原子从磁光阱压缩并装载进光偶极阱，因此可以应用到很多冷原子物理实验中，包括波色-爱因斯坦凝聚，量子操控，原子固有电偶极矩测量等等。在计算该跃迁魔幻波长时，我们发现1035 nm是最适合做大功率的深势阱波长。但是该魔幻波长比较接近三重态到上态某一跃迁的波长，而该波长在计算上有很大的不确定度，和实验值也有较大偏差。因此，本项目将利用已有的镱原子磁光阱和在光偶极阱中的原子损失谱来测量该跃迁的魔幻波长。测量精度将低至0.1 nm,从而可以优化镱原子从磁光阱装载到光偶极阱的效率。

在以原子冷却和囚禁技术为核心的现代原子物理实验中，光偶极阱发挥了重要作用，包括光晶格原子钟，波色-爱因斯坦凝聚，量子计算，原子核的固有电偶极矩测量等众多实验研究。其中魔幻波长更是在光晶格原子钟的计量学研究中发挥了关键作用。魔幻波长是原子的某两个能级在该波长电磁辐射下的光平移相等，从而使得这两个能级之间的跃迁频率不会因为该电磁辐射而改变。在魔幻波长条件下，光钟频率对光晶格激光强度完全不敏感。因此原子在光晶格中的热运动将不会改变光钟频率，从而极大改善原子钟频率的不确定度。同时，还有很多实验需要对光偶极阱中的原子进行成像和高效率的内态探测。通常情况下，由于原子跃迁对应的两个能级的差分光平移造成原子系综的跃迁线展宽，光偶极阱中的原子跃迁速率和吸收截面都会减小，尤其是较窄线宽的跃迁。差分光平移将大大降低探测效率。. 本项目研究的对象是镱原子。作为光晶格钟常用的元素，它的另一跃迁（556 nm），从基态到三重态P态的魔幻波长没有被测量过。这个波长被广泛应用于镱原子激光冷却，原子系综成像，内态读取。研究内容主要是在镱原子在已经完成热原子束流的横向冷却、塞曼减速、第一级和第二级磁光阱冷却的基础下把原子装载进光偶极阱中利用激光加热后原子损失谱来测量镱原子基态到三重态P态的跃迁中心频率，改变光偶极阱的功率就可以得到中心频率和光偶极阱功率的线性关系，即在这个特定光偶极阱波长下的交流极化率。在不同波长下对交流极化率的测量即可得到差分交流极化率的过零点，即魔幻波长。本项目还对三重态P态的不同磁子能级的跃迁进行测量， Pi、sigma跃迁的魔幻波长分别为1035.68 nm和1036.12 nm，不确定度为0.03 nm。该结果和理论计算结果符合，并已发表Physical Review A 102, 062805。全部完成计划书中所有的研究任务和目标。. 该结果已经在后续镱原子固有电偶极矩测量的实验研究中发挥了重要作用，将基态核自旋的测量效率提高了30倍以上，将电偶极矩测量灵敏度提高约6倍。该项目的成果在镱原子在精密测量，量子比特态读取，以及亚多普勒冷却中可能发挥重要作用。该项目的成果在镱原子在精密测量的更高精度，量子比特态读取的更高效率，以及556 nm跃迁亚多普勒冷却中可能发挥重要作用，也为碱土金属和其他稀土金属元素的同类跃迁的魔幻波长测量及应用提供了新思路。