單原子冷卻及光學操控的實驗進展

1、單原子冷卻及光學操控的實驗進展?fe?Preparationandopticalmanipulationofsingleatomsbasedonatomcoolingandtrapping*?WANGJingHEJunZHANGTian-|CaiWANGJun-|Min?k(StateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices,andInstituteofOpto-|Electronics,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)?Thebasicprinciplesandexperimentalpr

2、ogressinsingleatompreparationandopticalmanipulationbasedonatomcoolingandtrappingaresummarized.Theapplicationsofsingleatomsinatomicquantumregisters,singlephotonsourcesandatom-photonentanglementarebrieflypresented.Thebasicschemesandthestatusofoursingleatomexperimentsarealsodescribed.Keywordssingleatom

3、s,opticalmanipulation,atomcoolingandtrapping,magneto-opticaltrap,opticaldipoletrap?1引言迄今為止，人類對物質(zhì)世界的觀測和研究大都建立在系綜平均的基礎之上.早在量子力學建立初期，費曼就曾設想能夠在單離子、單原子（分子）水平上觀測和研究物質(zhì)世界.對于離子而言，可借助于庫侖相互作用來捕獲和操控，因而發(fā)展得較早.離子阱技術的出現(xiàn)和發(fā)展使得人類可以俘獲并操控單個離子，并在頻率標準方面的應用作了深入的研究.對中性原子分子而言，直到上世紀80年代，隨著掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、光鑲等技術的出現(xiàn)和發(fā)展，才使得人類得以在單原

4、子（分子）水平上嘗試對原子（分子）進行觀測和操控.在固體界面上采用掃描隧道顯微鏡操控單原子，1993年，舊M公司的研究人員將48個鐵原子排成一個環(huán)形量子圍欄，并觀測到了量子圍欄內(nèi)俘獲的表面態(tài)電子所形成的駐波：1.光場與原子相互作用是控制原子運動狀態(tài)的有效途徑，采用激光冷卻和俘獲中性原子技術:2-4,目前已經(jīng)可以在超高真空環(huán)境中將中性原子冷卻到納開爾文量級，甚至實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚和費米量子簡并；也可以借助于激光冷卻與俘獲技術來制備少數(shù)原子乃至單原子:5-9.與采用掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等在固體表面操縱單原子的方法相比，采用原子的激光冷卻與俘獲技術制備單原子并對其進行光學操控,可使原子

5、幾乎完全孤立（沒有固體表面對原子所形成的復雜勢場），并使其熱運動降到極低水平，可獲得較長的相干控制時間，更有利于在單原子水平上開展研究工作.基于原子冷卻與俘獲的單原子制備及其光學操控，正在使人類對物質(zhì)的性質(zhì)以及運動狀態(tài)有著更深入、更徹底的了解，目前已成為量子光學和冷原子物理領域的一個交叉熱點，也是對現(xiàn)有科學技術的一種挑戰(zhàn)和超越.基于原子冷卻與俘獲，研究單個原子的有效制備及觀測途徑，研究對于單個原子的外部自由度及內(nèi)部自由度的光學操控，在此基礎上可研究與背景環(huán)境充分隔離的單原子這樣的量子客體的輻射特性，研究單原子的量子態(tài)制備及控制，研究基于單原子操控的單光子輻射源，研究單原子在自由空間以及受限空間

6、（小型乃至微型光學諧振腔）與光場的相互作用以及原子與光子的量子糾纏等，這些方面的研究，對于在單原子單光子水平上進行信息編碼以及信息處理有著重要的意義和潛在的應用前景.本文主要對基于原子冷卻與俘獲的單原子制備及其光學操控的基本實驗原理及主要實驗進展，以及單原子制備及光學操控在量子寄存器、單光子源、原子-光子糾纏等方面的應用進行綜述，并簡單介紹了我們研究小組在單原子制備和光學操控方面的實驗研究進展情況.2磁光阱俘獲少數(shù)原子乃至單原子在傳統(tǒng)磁光阱:3,4:的基礎上，通過進一步提高背景真空度,縮小冷卻與俘獲激光束直徑,加大軸向磁場梯度等措施，使磁光阱對原子的俘獲率顯著降低，從而可以實現(xiàn)少數(shù)原子乃至單原

7、子在磁光阱中的冷卻與俘獲.1994年，美國加州理工學院Kimble小組在磁光阱系統(tǒng)中觀測到了單個鉗原子的冷卻和俘獲:5.在通常的磁光阱中，當背景真空度在6X10-9Torr（1Torr=1.33XI02Pa）量級時，在直徑約為400vm的光束交匯區(qū)域內(nèi)俘獲到約106個鉗原子.當光束直徑縮小到2mm右，同時將連接鉗源和真空汽室之間的閥門關閉以降低汽室中鉗原子的背景真空度，最終觀測到了磁光阱中單個原子發(fā)出的熒光信號（圖1）.在磁光阱中僅俘獲少數(shù)原子乃至單個原子時，這些原子在近共振光的作用下，自發(fā)輻射出的熒光極其微弱.通常在去除背景光的影響之后，利用處于光子計數(shù)模式下的雪崩光電二極管（APD對原子熒

8、光進行探測，得到臺階狀的熒光光子計數(shù)信號，即反映出阱中單原子的捕獲或逃逸以及阱中冷原子的數(shù)目.降低磁光阱對原子的俘獲率，是在磁光阱中獲得少數(shù)原子的必要條件之一.磁光阱中的平均原子數(shù)N?n=fs,R為原子俘獲率，TS為俘獲在阱中的冷原子與背景氣體中的原子相互碰撞導致其逃離磁光阱前的平均時間.這就需要在真空汽室內(nèi)保持較高的真空度，充分減少原子在系統(tǒng)中的密度.另一方面，通過提高磁光阱系統(tǒng)中磁場軸向梯度，可以顯著降低原子俘獲率:6,同時使原子有更強的定域性.1996年，德國漢諾威大學Ertmer小組7和德國玻恩大學Meschede小組8分別采用較強的磁場梯度在磁光阱中俘獲到了少數(shù)乃至單個原子.圖2中的

9、峰分別代表阱中相應04個原子熒光計數(shù)率產(chǎn)生的事件數(shù)目.圖中峰的展寬主要是由于探測到熒光的散粒噪聲起伏所引起的.1997年，加州理工學院Libbrecht小組對于大磁場梯度磁光阱中單原子的穩(wěn)定性作了研究9.除了利用APD對光子計數(shù)率進行測量外，還可以在像增強CCD勺輔助下，直接對阱中的單原子成像，根據(jù)光強的分布和大小來判斷阱中顯示的是對應于磁光阱中獲得確定數(shù)目原子的概率？尹？子的數(shù)目和原子運動的范圍:10:.在磁光阱中俘獲到少數(shù)原子乃至單原子后，實驗中希望精準地知道阱中原子的數(shù)目.而由于磁光阱本身的工作原理，原子裝載和損耗的過程都有很大的隨機性，在延長磁光阱壽命的同時也就抑制了磁光阱對原子的俘獲

10、率.在這種情況下，需要等待相當長的時間才會得到一次俘獲單原子事件.近幾年來，實驗中已經(jīng)可以通過反饋控制技術使磁光阱中俘獲確定數(shù)目的中性原子，有效地降低了單原子事件的隨機性.2003年，美國國家標準局利用反饋環(huán)路控制激光束對銘原子的蒸發(fā)過程，實現(xiàn)了磁光阱中接近確定性單原子的俘獲:11.首先利用磁光阱俘獲銘原子，運用高效率的熒光探測手段來確定阱中原子的數(shù)目.當觀測到阱中單原子存在時，迅速關斷原子裝載；反之如果觀測到阱中多于一個原子數(shù)的情況時，則重新裝載磁光阱.這一反饋機制大大抑制了磁光阱中原子數(shù)的隨機起伏，使單原子在阱中的概率可以達到98.7%（見圖3）.除了對原子裝載過程的反饋控制之外，2006

11、年，韓國首爾大學通過對磁光阱四極磁場梯度的實時反饋控制，也實現(xiàn)了在磁光阱中俘獲確定數(shù)目的原子:12.他們采用這種對磁場梯度的反饋，可以對磁光阱中5個以下數(shù)目的原子進行精確控制，并且測量到10s內(nèi)單原子在阱中的占有概率高達99%.這種反饋控制的技術為在磁光阱中獲得確定性單原子奠定了基礎.3利用遠失諧偶極力阱俘獲并操控單原子？?磁光阱系統(tǒng)在冷卻和俘獲原子的過程中，總是伴隨著原子的吸收和自發(fā)輻射，因而是一個耗散系統(tǒng)，它使得俘獲在其中原子的內(nèi)部自由度混合在一起，無法對其進行分析和控制.而基于光場對原子的偶極作用的梯度力，可形成原子的光學偶極阱.光學偶極阱的概念早在1968年即被前蘇聯(lián)的Letokhov

12、提出13,直到1985年才首次在實驗中被朱棣文(StevenChu)等人在激光冷卻的鈉原子中實現(xiàn):14.中性原子在非均勻光場中所受到的偶極力正比于光場強度的梯度:15:?H?Fdip(r)=-Udip(r)=12£0cRe(a)I(r).?H?從上式可以看出，光強的空間變化率越大，偶極力越強.通常情況下，光學偶極阱對原子提供的回復力要比磁光阱的情形大，且處于基態(tài)的任意自旋態(tài)的原子只要溫度足夠低都可被俘獲在光學偶極阱內(nèi).然而在通常的光學偶極阱中，由于形成偶極阱的激光場與原子的失諧量不夠大，因而對原子仍有較強的激發(fā)，光子散射率仍較高，會很快地破壞原子的相干性.1993年,Miller等人

13、研究了85Rb原子在遠離原子躍遷線的激光形成的偶極力阱中的特性16.遠失諧的偶極阱(far-|off-|resonanttrap,縮寫為FORT)會大大降低原子對光子的散射率，接近于保守勢阱，從而可以更好地研究俘獲在阱中原子的量子特性.?3.1運用一維光學晶格對單原子進行操控2001年，德國波恩大學Meschede小組運用相對于鉗原子遠失諧的1064nmNd:YAG偏振激光強聚焦，并形成駐波構成一維光學晶格(駐波場偶極阱)，將大磁場梯度磁光阱中冷卻并俘獲的單原子裝載到光學晶格中:17.實驗中通過改變兩光束之間的頻率差，使一維光學晶格沿軸向以一定速度運動起來，實現(xiàn)了光學晶格中原子在亞微米精度上的

14、輸運，并且操控原子宏觀移動距離達到了厘米量級:17,18:.2003年，Meschede小組通過控制一維光學晶格來輸運單原子，即所謂原子的“光學傳送帶”(opticalcoveyorbelt),研究了俘獲在晶格中鉗原子的量子相干性，并且在較長的退相干時間內(nèi)探測到了單原子的相干特性19.他們還采用俘獲在一維光學晶格中的一系列單原子,成功地演示了量子寄存器(quantumregister)20,選擇鉗原子兩個基態(tài)超精細能級的一對特定Zeeman態(tài)作為寄存器的量子位，借助于線性梯度磁場的Zeeman應使各量子位的|0態(tài)和1態(tài)之間的躍遷頻率與其位置關聯(lián)起來，從而可通過頻率可調(diào)諧的微波場對各量子位進行定

15、位和選擇性相干操控.圖4原子的”光學傳送帶":將磁光阱中的單原子載入一維光學晶格，使光學晶格沿軸向運動起來，實現(xiàn)原子的輸運:17實現(xiàn)了自由空間中對單原子在宏觀尺度上的可控移動，可以有效地將這項技術與高精細度微型光學腔結(jié)合起來，將確定數(shù)目的原子精確地傳送到微型光學腔中:21,22,以開展腔量子電動力學(腔QED實驗研究:23,可大大降低原子從磁光阱中通過自由下落進入光學微腔過程中單原子事件的隨機性.德國馬普量子光學研究所RempeJ、組采用原子的光學傳送帶，將單原子可重復地移入和移出光學腔腔模，還可以將位置可區(qū)分的兩個原子傳送到腔模當中:21.美國佐治亞理工學院ChapmaM、組在最近

16、的實驗中，也采用了一維光學晶格將首先被俘獲在磁光阱中的單原子輸運到微型光學腔中:22,形成一維光學晶格的兩束激光頻率差在50kHz左右，使原子在一維光學晶格中沿著軸向移動的速度為2.6cm/s,最終將頻率差降到零時使原子停留在微腔.維光學晶格其勢阱的周期為半波長，對所俘獲原子在軸向上的束紳非常緊.如果通過拉曼邊帶冷卻技術(Ramanside-bandcooling)對原子進一步冷卻，在原子傳送過程中不僅可以提高原子轉(zhuǎn)移的可靠性，而且能夠更精確地對原子進行定位.?右?3.2利用微小尺度的遠失諧偶極阱俘獲并操控單原子2000年，德國玻恩大學Meschede小組利用遠失諧光學偶極阱實現(xiàn)了對少數(shù)原子乃

17、至單原子的俘獲:24.首先他們在磁光阱中利用較高的背景真空度(10-10mbar)和大磁場梯度(375G/cm),將俘獲的鉗原子數(shù)目控制在1到10個之間，這一過程本質(zhì)上是隨機的.將一束2.5W的線偏振1064nmNd:YAG放光聚焦到約10vm的腰斑直徑，形成阱深約16mK的遠失諧光學偶極阱，腰斑位置與磁光阱中心重合.通過合適的時序控制，可以實現(xiàn)原子從磁光阱向偶極阱的轉(zhuǎn)移，以及從偶極阱向磁光阱的轉(zhuǎn)移通過分析阱中俘獲的原子在磁光阱光場作用下的熒光，可以準確地知道轉(zhuǎn)移前后阱中冷原子的數(shù)目.實驗中測得原子在偶極阱中的壽命為51s,典型的光子散射率為190s-1.法國奧塞光學所Grangier小組則采

18、用常規(guī)的磁光阱制備冷原子后，借助于微小尺度的遠失諧光學偶極阱，實現(xiàn)了直接在冷原子云中對單原子的俘獲：25,26:.2001年,Grangier小組將一束遠失諧于釧原子躍遷線的810nm激光束強聚焦進入由磁光阱預先俘獲的冷原子云中，他們在真空腔體內(nèi)部采用了一組相當復雜的透鏡組(數(shù)值孔徑N.A.=0.7)將高斯光束的腰斑半徑聚焦到0.7vm,極小的腰斑使遠失諧的偶極力將俘獲的原子限制在非常小的體積之內(nèi):26.用APD對偶極阱中的原子在磁光阱光場作用下的熒光進行探測，并用CCD寸原子直接成像.在這樣的遠失諧偶極阱中，從未觀測到俘獲原子數(shù)大于1的情況，這一特點反映了阱中原子數(shù)服從亞泊松統(tǒng)計(NA0.5

19、N)，即p(N=0)p(N=1)0.5,p(N>2)=0.實驗中單個原子被俘獲到偶極阱中，再次進入阱中的原子將導致兩個原子一起損失，這就是在微小尺度的遠失諧偶極阱中存在的所謂“碰撞阻擋(collisionblockade)效應”:26.這一效應與磁光阱的近共振光場導致的遠失諧偶極阱中原子間的光助碰撞(light-|assistantcollisions)密切相關27.這種利用微小尺度遠失諧光學偶極阱俘獲單原子的方案使得制備單原子過程中的隨機性大大降低.在遠失諧偶極阱中捕獲到單原子后，經(jīng)過適當?shù)幕鶓B(tài)自旋態(tài)制備后，用合適的脈沖光可將原子激發(fā)到特定的上能態(tài)，然后原子通過自發(fā)輻射返回二能級系統(tǒng)的

20、基態(tài)自旋態(tài)，可輻射出確定偏振態(tài)的不可區(qū)分的單光子，從而形成基于單原子操控的觸發(fā)式單光子源.而單光子源是量子密碼:28和線性量子計算:29的重要資源，在量子信息處理中具有非常重要的意義.順便提一下，目前許多種固態(tài)系統(tǒng)的單光子源:30已經(jīng)被演示，如有機薄膜中的單分子、金剛石中的色心、量子點等等，這些方法都可以高效率地產(chǎn)生單光子脈沖序列.然而在這些方法中,由于發(fā)射體的環(huán)境和發(fā)射體本身都會引入許多不同的因素，使得產(chǎn)生出的單光子是可區(qū)分的.另一類產(chǎn)生單光子源的方法是,將中性原子或者離子強耦臺到高精細度微型光學腔的腔模中，通過腔QED勺方法產(chǎn)生單光子，這方面的內(nèi)容將在3.3節(jié)中介紹.Grangier小組在

21、微小尺度的遠失諧偶極阱俘獲單原子:25的基礎上，2005年，利用重復率為5MHz脈寬為4ns的激光%脈沖序列，激發(fā)偶極阱中初始時被制備到5S1/2|Fg=2,mF=+2自旋態(tài)的單個87Rb原子，演示了觸發(fā)式單光子源:31.實驗中采用標準的HBT案測量了單光子脈沖的強度關聯(lián)，顯示出近乎完美的光子反聚束效應（見圖6）.2006年，該小組利用在自由空間形成的兩個相鄰的偶極阱俘獲兩個單原子，通過激發(fā)原子產(chǎn)生不可區(qū)分的單光子，觀測到了雙光子量子干涉效應:32:.德國慕尼黑大學Weinfurter小組33在單原子制備和操控實驗中采用類似于法國Grangier小組25,26的思路，首先利用常規(guī)磁光阱制備冷原

22、子，在原子從磁光阱向遠失諧偶極阱裝載的過程中，利用強聚焦遠失諧偶極阱（856nm激光束腰斑半徑3.5v而使原子在偶極阱中產(chǎn)生“碰撞阻擋效應”:26,從而俘獲單個87Rb原子.在此基礎上，他們在實驗中演示了原子和光子之間的糾纏:34,并對原子在自發(fā)輻射過程中產(chǎn)生的光子偏振態(tài)和原子自旋態(tài)之間的糾纏借助于受激拉曼絕熱躍遷過程（stimulatedRamanadiabaticpassage,STRAP）進行了分析.這種量子糾纏的實驗演示，表明可以將傳遞信息的飛行量子比特（光子）的量子態(tài)與存儲信息的量子比特（原子）的量子態(tài)糾纏起來，對實現(xiàn)量子網(wǎng)絡具有重要意義.實驗的前提是，首先需要制備單個87Rb原子以

23、及建立高效率的探測系統(tǒng).在87Rb中的5P3/2超精細能級F'=0的原子，可以通過自發(fā)輻射（T+,兀,（T-偏振的光子，分別躍遷回基態(tài)5P1/2的超精細能級F=1的三個自旋態(tài)mF=-1,0,1.沿著量子化軸的方圖7文獻34:中與單原子-單光子糾纏態(tài)產(chǎn)生相關的87Rb原子能級向收集光子，兀偏振的光子被抑制，最終在原子基態(tài)的兩個自旋態(tài)mF=-1,1和自發(fā)輻射出的光子偏振態(tài)（T+,（T-之間產(chǎn)生最大糾纏態(tài):34:最近Weinfurter小組利用原子-光子糾纏在實驗中演示了遠程量子存儲器35.對本地制備的光子量子比特應用量子離物傳態(tài)(quantumteleportation)協(xié)議，實現(xiàn)了遠距離

24、單個87Rb原子自旋態(tài)的制備，實驗中證實了遠程制備單原子量子態(tài)的可行性，而不需要直接與信息載體(光子)以及量子存儲器(原子)相互作用.通過使用量子離物傳態(tài)協(xié)議,將一個光子的量子態(tài)轉(zhuǎn)移到原子上，平均保真度高達82%,再加上原子的基態(tài)有較長的相干時間，這樣的系統(tǒng)可以應用于量子中繼器(quantumrepeater).?3.3利用高精細度微型光學腔操控單原子另一種對單原子操控的手段是借助于高精細度的微型光學腔，即通過腔QE防案操控原子，主要研究受限在微型光學腔中的光場和原子之間的相互作用:23.建立模體積非常小、損耗極低的光學腔以增強單光子的電場，提高原子與光場作用的拉比頻率，使之大于原子的自發(fā)輻射

25、率以及光場在腔內(nèi)的衰減率，即所謂的強耦合作用:23.在高精度微型光學腔中，由于原子和光場的強耦臺，使得原子的吸收與自發(fā)輻射完全不同于自由空間的情況.通過微腔可以改變或控制原子的自發(fā)輻射，使其得到抑制或增強.1991年,美國加州理工學院的Kimble小組利用一個精細度為8X104的微型光學腔，將通過態(tài)制備后的鉗原子束沿垂直于腔軸的方向穿過微腔，使原子隨機地與腔模耦臺，研究了腔內(nèi)原子自發(fā)輻射光子的雙穩(wěn)態(tài)及光子的統(tǒng)計特性:36:.1992年，觀察到了原子在光學微腔中的模式分裂:37.1995年，利用高精細度光學腔中的鉗原子和腔場之間的強耦臺演示了量子位相門38.這些腔QED勺工作都是基于原子束的，原

26、子完全隨機地進入微型光學腔，快速穿過腔模，與腔場的相互作用時間很短（微秒量級）.1999年，Kimble小組借助于原子冷卻與俘獲的手段在光學微腔中俘獲到了單個鉗原子:39,使原子在腔模內(nèi)停留的時間加長.實驗中采用了雙磁光阱系統(tǒng)，首先在氣室磁光阱中冷卻并俘獲108個鉗原子，并采用偏振梯度冷卻的方法將原子冷卻到3vK左右.接著以10湖轉(zhuǎn)移效率將冷原子輸運到在超高真空背景中工作的下級磁光阱，進一步被冷卻到2K,然后釋放原子，使之自由下落進入微腔，最終采用腔增強的一維光學晶格將原子俘獲在微腔中.2000年，德國馬普量子光學研究所RempeJ、組在高精細度光學腔中實現(xiàn)了對單原子的俘獲:40.采用常規(guī)磁光

27、阱制備的冷原子，借助于原子噴泉，使原子上拋，進入上方的高精細度光學腔.利用原子通過微腔時探測到的熒光強度變化來判斷腔內(nèi)原子數(shù)目，并通過反饋控制腔內(nèi)大失諧偶極阱的深度，從而達到了俘獲單原子的目的.在上述光學腔內(nèi)操控單原子的實驗中，在腔內(nèi)獲得單原子的過程依然帶有隨機性.結(jié)合原子的光學傳送帶技術，Rempe21小組和Chapman、組22將預先制備的單原子精確地輸送到微型光學腔的腔模內(nèi)，使原子可控地移進和移出腔模，這一點已在3.1節(jié)中作了介紹.這里補充一點，對于離子的情形，以德國馬普量子光學研究所Walther小組為代表，通過離子阱技術，將單離子長時間置于高精細度微型光學腔模內(nèi):41K實現(xiàn)了單離子與

28、腔模的強耦臺.基于腔QE防案，對俘獲在微型光學腔中的原子用激光脈沖序列進行激發(fā)，可以產(chǎn)生單光子.這樣的單光子源線寬較窄，發(fā)射出的單光子有確定空間模式（微型光學腔的腔模）.Walther小組采用40Ca佰子41,Rempe、組采用87Rb原子42,Kimble小組采用133Cs鉗原子43,在高精細度微型光學腔內(nèi)俘獲單原子（離子），通過單原子（離子）與腔場的強耦臺，演示了單光子源，為量子通信、量子網(wǎng)絡等提供了一種近乎理想的單光子源.此外，單原子的激光輸出也是強耦臺腔QED勺又一應用.傳統(tǒng)的激光器包括大量原子和光子的相互作用，與之完全不同的是，2003年，Kimble小組在實驗中通過強耦臺腔QEDM

29、示了單原子激光器:44.通過測量腔內(nèi)光子數(shù)與抽運強度的關系，證明單原子的激光輸出不存在閾值.他們還測量了輸出光場的二階相干度，說明單原子的激光輸出是非經(jīng)典光場，其光子數(shù)起伏遠低于散粒噪聲極限（shot-noiselimit）.隨著腔QED勺迅速發(fā)展，腔QEC®現(xiàn)出在量子信息領域獨有的優(yōu)點.例如，可以在高精細度光學腔內(nèi)借助于原子與腔內(nèi)光子的相互作用，通過交換光子，使存在于微腔內(nèi)的多個原子之間糾纏起來，從而實現(xiàn)較為復雜的量子網(wǎng)絡.而這些實驗技術的關鍵是，需要具備在一個已建立的微型光學腔提供的強耦臺環(huán)境中對單原子長時間俘獲的能力和在腔中精確定位單原子的能力.4我們的基本方案及實驗進展我們實

30、驗小組目前正開展在自由空間內(nèi)基于原子冷卻與俘獲的單原子制備及其光學操控方面的實驗工作.基本方案是：在超高真空氣室中，采用大磁場梯度的特殊參數(shù)磁光阱冷卻并俘獲原子，利用高效率的熒光收集和探測系統(tǒng)觀測磁光阱中少數(shù)原子乃至單原子的熒光信號.然后將俘獲的少數(shù)原子轉(zhuǎn)移到遠失諧一維光學晶格中，進行原子光子糾纏制備和觸發(fā)式單光子源的研究.實驗的基本裝置如圖8所示，玻璃氣室（位于圖8中上下的兩個磁場線圈中間）通過法蘭連接在無磁不銹鋼腔體上，鉗源通過閥門與腔體相連，腔體下方連接一臺復合泵（離子泵+升華泵,位于光學平臺下方，圖中未顯示）用于維持真空.在未釋放出鉗原子前，系統(tǒng)的背景真空度為2X10-11Torr,釋

31、放出適量鉗原子后，系統(tǒng)的壓力維持在8X10-11Torr1x10-10Torr左右.用于磁光阱的四極磁場線圈采用絕緣材料做骨架，用聚酯漆包銅線繞制而成，采用去離子水對線圈進行冷卻.20A的直流電流可產(chǎn)生約350G/cm的軸向磁場梯度，用于大磁場梯度的特殊參數(shù)磁光阱.在初始狀態(tài)下，通常使其工作在10G/cm.磁光阱的激光系統(tǒng)由兩個自制的光柵外部反饋式半導體激光器構成.通過偏振光譜方法結(jié)合聲光調(diào)制器（AOM）,將冷卻光頻率移頻后鎖定在鉗原子F=UF'=5超精細躍遷線上.再利用AOM奪冷卻光負失諧10-15MHz反抽運光采用射頻頻率調(diào)制光譜方法將激光頻率鎖定在F="F'=3,4交叉線上，通過AOM®移至F="F'=4躍遷線.目前在這一系統(tǒng)上已可穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)常規(guī)的鉗原子氣室磁光阱:4,45,46:.在上述典型工作