超冷nS铯里德堡原子的长程相互作用
处于高激发态的里德堡原子具有一些独特的原子属性
寿命和较大的电偶极矩等。这些普通原子所不具备的特性是实现很多量子信
息处理任务的有效资源。例如，对里德堡原子之间的长程偶极相互作用进行
光学控制可执行量子门操作和制备量子纠缠态。特别地，偶极相互作用能引
起一种里德堡激发的阻塞效应：在一个微米尺度的介观区域内，最多只有一
特别是由原子间偶极相互作用引起的阻塞效应（
blockade effect
）
[2-4]
，引
起了人们的广泛兴趣。如今，里德堡原子在量子信息、原子的相干激发技
术、超冷等离子体和多体物理领域都展现出强劲的发展势头和独特优势。
下面将分别介绍与里德堡原子相关的量子信息技术和电磁感应透明的历
史和发展现状。
个原子能被激发到一个主量子数很大的里德堡态上。实际上，偶极阻塞效应
是很多新近提出量子操控方案的物理基础，包括原子纠缠的相干制备、单光
子源的可靠产生、多体系统的量子模拟等。
所谓里德堡原子，指的就是主量子数非常大的高激发态原子。这类原
子寿命长，半径大，电偶极矩强，具有其它中性原子没有的特性
[1]
。随着
激光冷却技术的不断进步，里德堡原子丰富的物理内涵逐渐地表现出来，
里德堡原子
定义：里德堡原子，指的是主量子数非常大的高激发态原子没有的特性（里德堡原子间相互作用强度变化范围很大，例如，主量子数为100S
的两个里德堡原子间相互作用强度约为基态中性原子间相互作用强
度的 倍；因此利用里德堡原子的这一独有特性可以灵活地调节相互作用强度，从而能够实现高保真度的各种量子门操作。）
超冷里德堡原子的产生以及探测
第24卷,第6期光 谱 实 验 室V o l .24,N o .62007年11月Ch inese J ou rnal of S p ectroscop y L aboratory N ove m ber ,2007超冷里德堡原子的产生以及探测①①基金项目:973计划(2006CB 921603),国家自然科学基金(10574084,60678003)②联系人,电话:(0351)7018927;E 2m ail :zhaoj m @sxu .edu .cn作者简介:李安玲(1981—),女,山西省大同市人,硕士研究生,主要从事超冷里德堡原子相互作用的研究工作。
收稿日期:2007209226;接受日期:2007210220李安玲 张临杰 冯志刚 赵建明② 李昌勇 贾锁堂(量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学物理电子工程学院 太原市坞城路92号 030006)摘 要 利用激光冷却与俘获技术获得冷原子,由双光子激发产生超冷里德堡原子,利用场电离法得到了里德堡原子ns 和nd 态的离子谱图;再将激光波长固定在6p 3 2—34d 态的共振跃迁线上,得到了离子和里德堡原子的TO F (T i m e of F ligh t )图,并对实验结果做了分析。
关键词 超冷里德堡原子,双光子过程,场电离脉冲,离子信号。
中图分类号:O 562.3;O 562.4 文献标识码:A 文章编号:100428138(2007)06211662051 引言 里德堡原子是指原子最外层电子被激发到主量子数n 很大的高激发态的原子。
在里德堡原子中,最外层电子离原子实(原子核加其他电子)很远,原子实对它的静电库仑作用就像一个点电荷(+e ),都可视为类氢原子。
这样的原子具有一些独特的性质,如表1所示。
里德堡原子具有较大的原子半径和电偶极矩,同时具有很大的碰撞截面,和较长的作用时间,而且随着主量子数的增大,相邻能级之间的间隔变小。
CBG
项目名称：受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用首席科学家：贾锁堂山西大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：山西省科技厅一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题：超冷原子分子作为一种理想的介质已经被广泛用于物质与场的相互作用，原子/分子量子态是精密光谱、量子信息以及超高灵敏测量的重要量子资源。
为实现受限空间中光场与超冷原子分子相互作用所产生的新型量子态的操控与应用，拟解决的关键科学问题如下：1) 在超冷条件下，从单原子到原子系综的量子态（包括纠缠态、相干叠加态、自旋压缩态等）制备和操控的新原理、新方法。
中性原子的冷却及长时间的有效控制；偶极阱中单粒子的高效装载以及在特定环境（如微光学阱、微腔）中单粒子的外态和内态的控制；基于冷原子系综的自旋压缩态制备和应用及量子非破坏性测量；失谐偶极光阱，制备高密度超低温冷原子团；利用量子非破坏性测量并实现冷原子自旋压缩态、冷原子自旋压缩、量子Fisher信息及量子关联。
2) 受限空间中光与原子/分子相互作用（包括强耦合）的物理实现及其新奇量子效应。
微型光学阱和微光学腔的构建和控制的新方法；基于强耦合真空受激拉曼绝热输运过程的量子态的制备；耗散过程对量子态制备和操控的影响以及克服退相干的新途径；极化费米子超流体系、玻色-费米混合体系、组错晶格的相互作用与玻色体系等的新奇量子态; BCS-BEC渡越的物理机制。
3) 超冷极性分子量子气体的高效制备和分子量子态操控的新机制。
超冷极性分子及相干叠加态和纠缠态的制备；利用外场有效调控极性分子之间的偶极—偶极相互作用以及超冷极性分子与单光子的强耦合作用；实现高保真度的量子信息存储以及精密光谱测量。
4）精密光谱、量子计量、量子测量(包括量子非破坏性测量等)和量子信息中的新原理和新技术。
发展基于噪声微扰的新型精密光谱方法，进行原子系统中磁场的精密测量；基于光腔和电磁诱导透明（EIT）联合作用以及冷原子系综的自旋压缩态的制备，实现突破标准量子极限的精密测量，提高量子计量中参数估计的精度；进行超冷极性分子的超高分辨光谱测量，利用分子纠缠态实现量子逻辑门；利用受限空间中光与原子分子强耦合相互作用产生的新型量子态，实现原子的量子寄存、可控单光子源以及量子节点。
物理实验技术中超冷原子玻色爱因斯坦凝聚的操作指南
物理实验技术中超冷原子玻色爱因斯坦凝聚的操作指南超冷原子玻色爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，简称BEC）是物理实验技术中的一个重要领域，它在量子物理和凝聚态物理研究中具有广泛的应用。
本文将为大家提供一份超冷原子玻色爱因斯坦凝聚的操作指南。
一、超冷原子的制备超冷原子是指温度经过精细调控后接近绝对零度的原子气体。
制备超冷原子的关键步骤是慢降温和光减速。
首先，利用气体蒸汽的自然蒸发降温至几十微开尔文，然后，通过光减速技术进一步降温，将原子的动能减小到十几毫开尔文。
二、磁性阱的构建超冷原子一般需要利用磁性阱来囚禁和操控。
构建磁性阱的关键是选择合适的磁场梯度和梯度方向。
一种常用的方法是通过调节磁场梯度和梯度方向，使磁场形成一个具有束缚能级的势阱。
三、激发原子的转变为了实现BEC，需要将原子在超冷温度下转变为玻色爱因斯坦凝聚态。
通常使用激光辐射或射频场来操控原子的内部自旋状态，使其达到玻色爱因斯坦凝聚的条件。
四、调谐相互作用在实验中，相互作用是调控原子之间相互影响的重要手段。
常用的方法是利用外加磁场调节原子间的散射长度和散射相移，从而调控原子的相互作用强度。
利用调谐相互作用，可以实现超冷原子系统的相变，从而促进玻色爱因斯坦凝聚的形成。
五、观测和测量观测和测量是超冷原子实验的核心环节。
常见的观测手段包括时间平均法和空间干涉法。
除了观测原子数目的变化以及原子密度分布的空间相关性外，还可以通过光谱分析等方法研究原子的能级结构和相互作用特性。
六、应用领域超冷原子玻色爱因斯坦凝聚技术在物理学研究中有着广泛的应用。
其中一些重要领域包括：量子计算与信息处理、凝聚性 Bose-Einstein 凝聚物理与动力学、超冷原子光学与光量子技术。
超冷原子玻色爱因斯坦凝聚作为一种前沿的物理实验技术，其操作指南需要仔细遵循和研究。
通过合理调控超冷原子系统的制备和相互作用过程，可以得到稳定、高质量的玻色爱因斯坦凝聚态，为量子物理和凝聚态物理的研究提供了强有力的工具。
里德堡原子的电磁感应透明及其应用研究
里德堡原子的电磁感应透明及其应用研究电磁感应透明（electromagnetically induced transparency EIT）是光与物质相互作用中表现出来的一种特殊的非线性效应,是两束激光与原子共振作用时产生的量子相干效应。
利用EIT效应可以实现光脉冲的减慢与储存,介质折射率增强,微波探测及单光子源的制备等。
目前人们已经在不同介质中实现了 EIT,研究了 EIT效应随相干电磁场及系统参数变化的规律,揭示了量子相干的物理机制。
由双光子激发与里德堡原子形成阶梯型三能级系统,里德堡原子的EIT效应成为近年来人们关注和研究的热点。
里德堡原子是指外层电子被激发到主量子数（n）很高的激发态原子,可以视为原子实和一个外层电子构成的类氢原子。
里德堡原子半径大（<sup>n</sup>*<sup>2</sup>,n*为有效主量子数）,寿命长（<sup>n</sup>*<sup>3</sup>）,相互作用强(<sup>n</sup>*<sup>11</sup>)等特性。
因此由里德堡原子组成的量子体系具有较长的相干时间。
里德堡原子能级间隔小(<sup>n</sup>*<sup>-3</sup>),处于射频波段,可以由射频场耦合里德堡原子,实现射频场对里德堡原子相互作用的调控,同时提供了一种测量微波场场强的新技术。
本文以室温铯原子样品为研究对象,由铯原子的基态(6S<sub>1/2</sub>),激发态(6P<sub>3/2</sub>)和里德堡态（nS/nD）构建了阶梯型三能级系统,研究了里德堡原子EIT效应以及射频场与里德堡原子相互作用时的EIT光谱,获得了里德堡原子EIT的调制解调光谱,射频边带光谱以及射频双光子EIT-AT光谱,研究了里德堡EIT与射频场参数的依赖关系,提出了一种宽带自校准的射频场的精密测量方法。
“冷聚变”争论及其现象与机制的解释-iccf
“冷聚变”争论及其现象与机制的解释《21世纪100个交叉科学难题》，2005.1编, P57-631989年3月，美国犹他大学的弗莱希曼（Fleishmann ）、庞斯（Pons ），伯明翰·杨大学的琼斯（Jones ）先后发布了他们在实验室电解重水实现核过程的消息，震动了整个世界，引发了一场围绕室温核聚变（又称冷聚变，cold fusion ）的科研热潮，甚至许多大公司和各国政府都争相投资；不久，由于绝大多数实验者实验无果，弗莱希曼、庞斯，以及琼斯公布的实验也难以重复，于是，研究热潮转化为讨伐热潮，三位始作俑者被怀疑和嘲讽，冷聚变也被定性为“病态科学”、伪科学。
然而，大起大落之后，许多人并没有忘记当初的实验现象和疑惑，热潮消退了，但探索并没有终止。
弗莱希曼和庞斯3月23日在盐湖城报道,他们以钯（Pd ）作阴极、铂（Pt ）作阳极电解含0.1mol / L LiOD 的重水溶液，产生核聚变，并测得过热（输出能与输入能之差）和中子；琼斯30日在一次学术会议上宣布，他也独立地实现了冷聚变，是以钛（Ti ）为阴极，测得对应于D （d,n ）3He 反应的中子，但未测到过热。
其实，与所说的冷聚变相关的现象，并不是1989年才第一次发现，除了弗莱希曼、庞斯、琼斯的实验外，15年来，各国科学界又设计出许多实验方法，也取得了不少进展。
这个过程的客观性表现在各种各样的产生方式，有些在历史上早已存在。
例如1926年的氢通过烧红的钯管，1927年的重水电解等。
还有前苏联作的切削冰氘3He 异常，奇异水（或聚合水）等，以及较早的“生物聚变”都是先于弗里希曼—庞斯的。
归纳起来有如下方式：（1）用Pd 作阴极（也有Ni 、Ti ），Pt 做阳极电解重水、轻水；（2）氘、氢气辉光放电；（3）电解熔盐；（4）气体扩散非电解充氘、氢；（5）用碳作阴极电解或干脆不用电解直接用沟槽扩散重水、轻水；（6）低能氘、氢粒子注入；（7）温度、压力循环Pd-氘系统出中子；（8）镀钯硅藻土温度循环产氚和He He 43异常；（9）超导材料充氘、氢，出中子，超热；（10）水中放电产生长寿命发光体；（11）用微生物和细菌在重水中使“Mn Fe ”（称为“生物聚变”或“核嬗变”）；（12）交变电场加在压电晶体上产生“奇异水”或“聚合水”；（13）机械切削冰氘3He 异常；（14）3keV 电子束轰击吸氘钯靶产生能量远高出伦琴X射线的X射线；（15）氘气通过复杂Pd-CaO-Sr、Pd-CaO-Cs结构产生“Mo”、“Pr”；(16)“超声核聚变”等等。
冷核聚变发展历程及相关理论讨论
冷核聚变发展历程及相关理论讨论1 冷核聚变国内外前景1.1 冷聚变研究背景M.弗莱希曼（M artin Fleischmann）和S.庞斯（Stanley Pons），在1989年3月23日，在进行电解实验中意外发生了异常放热现象，他们宣称是低温下的核聚变反应，从而震惊了科学界。
实验步骤，将钯金属作为电解阴极，铂金属作为电解阳极。
进行重水D2O 的电解，在实验过程中意外发生了超热现象，而其产生的“热”就目前所存的理论无法解释。
其既不满足化学放热反应，而又不满足物理放热现象。
为此各国的实验室都进行了重复性的实验，一些实验室给出负的结果，一些实验室则给出正的结果。
由于此实验的重复性差，且没有相对的理论支持，如果用热核聚变的理论进行解释，其反应过程却没有中子的产生，显然这与常规理论相违背。
不少热核学者对冷核聚变持反对意见，认为其为伪科学。
但是随着近三十年的发展，实验结果重复性不断提升，其理论也不断完善。
1.2 冷核聚变在国外研究现状在2021年日本大阪大学的物理学教授对外宣称实现了冷聚变反应。
在实验过程中，教授首先将重氢充入到含有钯锌镐的混合氧化物中，观察到了氦原子核的产生，从而证实了冷核聚变产生的可能性。
其次是意大利科学家安德烈·罗西，在2021年，利用了某种催化剂加入到电解重水的实验中，从而产生了聚变反应，也同样证实了冷聚变的可能性。
但是由于二者并没有拿出相关的数据以及实验的具体细节，使得人们对这两次的实验结果产生质疑。
而到了2021年，冷核聚变再一次迎来了低谷期，谷歌花费大量资金招募全球相关领域专家对冷核聚变进行研究，他们在自然杂志上公布了他们的实验结果“没有发生异常放热现象，所产生的热量都是在正常范围内”。
结论的公布再一次引发了相关领域专家的讨论，冷核聚变的道路依旧坎坷。
1.3 冷核聚变在国内研究现状我国对冷核聚变的研究始于1989年M.弗莱希曼（M artin Fleischmann）和S.庞斯（Stanley Pons）宣称他们在进行电解实验中意外发生了冷核聚变。
超冷铯分子的高灵敏光谱解析
超冷铯分子的高灵敏光谱在过去的十几年时间里,超冷分子光谱的研究内容从单纯的分子能级、势能曲线和分子常数测量,逐步扩展到高分辨分子光谱测量、基本物理常数测量、超冷碰撞及多体问题、高精度频标、量子计算等众多前沿问题,引起了人们的极大兴趣。
由于超冷分子所具有的极低温度特性,几乎完全克服了多普勒效应的影响,实现了分子的高分辨光谱测量。
在超冷分子光谱研究中,荧光光谱技术是一种理想的测量手段。
然而,其缺点是探测灵敏度低,无法满足高精度测量的需要。
本文针对荧光光谱灵敏度低的问题,分析了制约高灵敏探测的因素,提出了通过三维速度选择调制光谱技术和光子计数光谱技术应用于超冷分子光缔合荧光光谱测量的实验方案,获得了高灵敏的超冷铯分子光谱。
本文的主要创新性工作概括如下:1.利用三维速度选择调制光谱技术,实现了超冷铯分子激发态振动光谱的高灵敏测量,将现有的俘获损耗光谱可探测范围扩大了20cm~(-1),得到了更低振动能级的光谱数据:通过理论拟合,获得了激发态铯分子的长程系数C_3和势能曲线。
2.通过优化参数进一步提高三维速度选择调制光谱技术的探测灵敏度,获得了高灵敏、高分辨的超冷铯分子长程激发态O_g~-态的振转光谱,观测到跃迁几率极低的低振动量子数(v=1)的转动光谱。
3.利用光子计数技术获得了高灵敏的超冷激发态铯分子近阈值振动光谱,为研究近阈值区域的势能曲线提供了重要的光谱数据。
4.系统地研究了超冷铯分子激发态振转光谱对光缔合激光强度的依赖关系,观察到饱和效应,并通过理论拟合获得了光缔合饱和强度;同时,发现了不同振转能级对应的饱和强度也不相同,并从理论上对其进行了定性地解释。
5.利用超低频率的波长调制光谱技术,发展了一种新颖的绝对频率锁定技术,实现了将激光器频率长期稳定地锁定在原子-分子跃迁频率上,为超冷分子实验提供了重要的稳频技术支持。
同主题文章[1].辛健彤. 超冷水' [J]. 国外科技动态. 1999.(04)[2].李隽. 备受瞩目的超冷声激光器' [J]. 深圳特区科技. 1996.(06)[3].PhilipBall,吴琦. 超冷的水' [J]. 世界科学. 1999.(12)[4].戴闻. 超冷一维玻色子系统的费米化' [J]. 物理. 2004.(11)[5].戴闻. 从费米原子到配对超冷分子' [J]. 物理. 2004.(02)[6].王正岭,印建平. 势阱中超冷三能级原子的自发辐射' [J]. 量子光学学报. 2004.(S1)[7].张卫平. 超冷原子光学与高精密原子测量仪' [J]. 量子光学学报. 2002.(S1)[8].印建平. 超冷分子物理与分子光学及其最新进展(综述)' [J]. 量子光学学报. 2002.(S1)[9].胡正峰,杜春光,李代军,李师群. 超冷玻色气体中电磁感应透明和慢光现象中的原子相互作用效应' [J]. 量子光学学报. 2002.(S1)[10].云中客. 超冷分子' [J]. 物理. 2009.(08)【关键词相关文档搜索】：原子与分子物理; 超冷铯分子; 高灵敏光谱; 光缔合; 分子长程系数; 分子振动光谱; 分子振转光谱; 超低频率波长调制光谱【作者相关信息搜索】：山西大学;原子与分子物理;贾锁堂;马杰;。
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超冷nS铯里德堡原子的长程相互作用
里德堡原子是外层电子被激发且主量子数很大的高激发态原子。
与基态原子相比,具有很多独特的性质。
比如寿命长(～n3),能级间隔小(～n-3),电偶极矩(～n2)大,原子间具有很强的长程相互作用。
极化率大(～n7),极易受到外场的影响,可以通过外场调节原子的能级以及原子间的相互作用。
早期里德堡原子的研究主要在热原子样品中进行,但是热环境中具有热运动大,多普勒展宽等诸多局限性。
随着激光冷却和俘获技术的完善,利用该技术制备超冷里德堡原子,其温度达μK量级,几乎可以看作是静止的,这时里德堡原子的动能远远小于其相互作用的势能,从而可方便研究里德堡原子的长程相互作用以及激发阻塞效应。
由于里德堡原子的极化率很大,极易受到外电场的影响,因而我们可以通过调节外电场达到操控里德堡原子相互作用的目的。
寿命很长,可以在微秒范围内研究它们之间的相互作用。
里德堡原子之间强偶极-偶极相互作用和van der Waals相互作用,使原子能级发生平移进而产生激发阻塞效应,利用这种效应可以实现单里德堡原子的激发,使里德堡原子成为构建量子逻辑门和量子存储的备选介质。
里德堡原子成为人们研究的热点。
本文的主要工作是在获得超冷铯原子的基础上,利用双光子激发获得超冷nS铯里德堡原子。
通过脉冲场电离的方法以及微通道板探测技术获得里德堡原子之间相互作用产生的离子信号和原子信号来研究超冷nS态铯里德堡原子的长程相互作用。
改变相互作用时间以及激发光的脉冲宽度来观察其离子信号和原子信号的变化趋势,研究其长程相互作用和激发阻塞效应,实验结果与理论相一致。
本文的
创新工作分为如下几个部分：1、实验上通过改变nS态超冷铯里德堡原子的相互作用时间以及激发光的脉冲宽度来研究超冷铯里德堡原子的电离特性,获得了超冷铯里德堡原子向超冷等离子体的转化,并对其初始电离机制进行了分析。
针对70S超冷铯里德堡原子的电离率进行了计算,实验结果和理论一致。
2、实验上通过改变激发光的强度和脉冲宽度对nS态超冷铯里德堡原子的激发阻塞效应做了系统的研究,获得了nS(60-70)超冷铯里德堡原子的激发阻塞效应,得到了激发阻塞效应与拉比频率以及基态原子密度之间的关系,并利用相互作用的理论模型解释了实验结果。