超冷单里德伯原子的制备及其操控

相对于基态原子，里德伯原子具有原子半径、电偶极距和电极化率大，相互作用强的重要特性。借助于激光冷却与俘获技术获得温度约200μK的超冷原子，将其激发到里德伯态而形成超冷里德伯气体，其热运动动能远小于原子间的相互作用能，超冷系综的动力学过程主要由外部势能和原子间的相互作用能来确定。特别是由里德伯原子偶极相互作用产生的激发阻塞（blockade）效应，对量子信息处理和量子逻辑门的实现具有重要的意义。利用外电场调节超冷里德伯原子的能级和原子间的相互作用，进而实现可调控的相互作用和可控量子逻辑门。.本项目主要研究内容：1）从理论和实验上研究超冷里德伯原子间的长程相互作用；2）研究外场对超冷里德伯原子相互作用的影响以及导致的力学效应，实现电场对里德伯原子能级和相互作用的调控；3）研究超冷里德伯原子的激发阻塞效应及其动力学过程和机制；4）实现超冷单里德伯原子的制备，探索可调控量子逻辑门的实现。

本项目 “超冷单里德伯原子的制备和操控（No.61078001）” 主要以超冷原子为研究介质，利用双光子激发超冷原子制备超冷单里德伯原子。从理论和实验上研究了超冷里德伯原子间的长程相互作用，外场对超冷里德伯原子相互作用的影响以及导致的力学效应。实现了电场对里德伯原子能级和相互作用的调控，研究了超冷里德伯原子的激发阻塞效应及其动力学过程和机制，进而实现了超冷单里德伯原子的制备。 具体的：1.理论上利用微扰理论数值计算了超冷里德伯原子间的长程相互作用的特性，以及里德伯原子的Stark能级。2.实验上将原子激发到nS、nD态,实验研究了里德伯原子的Stark效应以及态混合和态转移现象。3.研究了超冷nS原子的长程相互作用导致的激发阻塞效应。4.在磁光阱的基础上实现了偏振梯度冷却，进一步降低了原子的温度。增加了1.064微米的偶极阱，提高了原子的密度。5.在偶极阱中实现了单里德伯原子的制备。.经过本项目的实施，建立了一套制备和操控超冷单里德伯原子的实验系统，发表相关论文18篇，其中物理评论快报《Phys. Rev. Lett.》一篇（合作发表），物理评论A 《Phys. Rev. A 》三篇，欧洲物理快报 《EurPhys. Lett.》 一篇,《J. Phys. B》 一篇，《J. Phys. Soc. Jpn》三篇，以及其他期刊论文九篇。申报发明专利两个。参加国内外学术会议11人次。在项目执行期间，邀请英国诺丁汉大学的李伟斌教授来所就里德伯原子强相互作用的相关问题进行交流，并邀请美国Oklahoma大学的J.P.Shaffer教授来所访问交流。项目组成员赵建明于2011年到法国国家科学研究中心的Aime Cotton实验室进行访问，就里德伯原子的多体相互作用进行了合作交流。成员张临杰赴美国Wisconsin州立大学访问，就超冷单里德伯原子的制备进行合作研究。.本项目的实施过程中，培养硕士生5名，两名已经顺利毕业获得硕士学位；博士研究生三名。申报国家发明专利两项。