重磅！長達10毫秒：成功捕獲高度激發態的環形裡德堡原子！

2020-10-18 博科園

裡德堡原子是處於高度激發態的原子，具有幾個獨特和有利的性質，包括特別長的壽命和對外場的高靈敏度。這些性質使得裡德堡原子在各種應用中都很有價值，例如對於量子技術的發展。然而，為了使裡德堡原子在量子技術中得到有效利用，科學家們首先需要能夠捕獲它們。雖然許多研究已經證明了使用磁、電或雷射技術捕獲裡德堡原子，但到目前為止實現的捕獲時間相對較短，通常在100μs左右。

卡斯特勒·布羅塞爾實驗室(LKB)的科學家，現在實現了環形裡德堡原子更長的二維雷射捕獲時間最長可達10ms，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上，概述了他們所採用的方法，可能會為量子技術的發展開闢令人興奮的新可能性。開展這項研究的研究人員之一Clément Sayrin說：

我們在卡斯特勒·布羅塞爾實驗室的研究小組，是世界上少數幾個可以製備和操縱環形裡德堡能級的原子之一。實際上，研究團隊在使用環形裡德堡原子方面有很長的經驗，這可以追溯到20世紀70/80年代和塞爾日·哈羅什(Serge Haroche)的研究工作，新研究很大一部分現在致力於在量子技術中使用這些原子。

到目前為止，大多數使用裡德堡原子的量子模擬器都使用非環形裡德堡原子。這些技術最早是由帕萊索的Optique研究所研究生院(IOGS)的一個研究小組(由Antoine Browaeys和Thierry Lahaye領導)以及由Mikhail Lukin領導的哈佛大學一個團隊率先提出。

雖然這些模擬器已經取得了顯著效果，但它們的能力受到了限制，因為它們內部的裡德堡原子沒有被捕獲，因此隨著系統的運行而繼續移動。這項新研究由Sayrin、Michel Brune(研究主任)、Rodrigo Cortiñas(博士生)、Maxime Favier(博士後)和LKB的其他研究人員進行，介紹了一種解決這個問題的方法，需要使用環形裡德堡原子（即處於裡德堡圓態的原子）和一種稱為雷射陷阱的技術。當一個原子被激發到環形裡德堡水平時：

它可以相當好地描述為一個電子在圓形軌道上遠離原子核運行，這個軌道幾乎和細菌一樣大。因此，電子幾乎是自由的，自由電子和任何帶電粒子一樣，都受到強烈光場的排斥。研究人員基本上利用了環形裡德堡原子被強光排斥的事實來捕獲原子。為了實現這一點，研究人員製造了一個甜甜圈形狀的光束，更具體地說，是一個中心有一個暗斑的環形雷射束，原子最終會被困在那裡。

如果一個電子位於甜甜圈的中心，它就無法逃脫：它被困在光束中。然後，重原子核就緊隨其後，通過庫侖相互作用被電子吸引！不知何故，研究人員通過抓住環形裡德伯格原子的電子來捕獲它。研究人員使用一種被稱為空間光調製器(SLM)的工具，產生了這種甜甜圈形狀的光束。空間光調製器是可以在光束上壓印相位圖案的儀器，這反過來又改變了這些光束的形狀。這些獨特的工具，曾被廣泛用於視頻投影儀，將圖像或視頻反射到表面上。

已經製作了自己的視頻投影儀來產生甜甜圈光束，但用的不是燈泡作為光源，而是一個強大的紅外雷射器，而不是屏幕，把「圖像」照射到裡德堡原子上。到目前為止，世界各地的研究人員，只能證明雷射捕獲非圓形原子的早期特性，持續時間不超過幾微秒。另一方面，圓形裡德堡原子以前從未被雷射捕獲過。研究表明：事實上，圓形裡德堡原子可以被雷射捕獲，並且持續的時間明顯更長，到目前為止，研究人員能夠捕獲這些原子大約10毫秒。

但在未來的研究中，這一捕獲時間可能會進一步增加。研究還表明：捕獲圓形裡德堡原子不會影響它們的性質（例如，壽命、純度和量子相干性等）。特別是，還證實了環形裡德堡原子不受光致電離影響的事實，與其他裡德堡能級相反。這些結果可能會對量子技術的發展產生許多重要影響，包括用於量子模擬、傳感和信息處理的工具。事實上，正如研究所證明的那樣，在量子系統運行時，有效地保持環形裡德堡原子在適當的位置，意味著這些原子可以使用更長的時間。

這最終可能會提高不同量子技術的性能，例如提高傳感器的靈敏度，增加模擬器的模擬時間等。研究團隊現在正計劃實現一個雷射捕獲的環形裡德堡原子陣列。為了實現這一點，將準備一組中心有孔的光鑷子，這種結構被稱為「瓶形光束陷阱」。通過在每個瓶子中捕獲一個且只有一個圓形裡德堡原子，間隔幾微米，將產生一個相互作用的圓形裡德堡原子的規則陣列。這將實現一種相互作用自旋的量子模擬器，使科學家們能夠在前所未有的時間尺度上運行模擬。

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參考期刊《物理評論快報》

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