武漢物數所等利用對稱性破缺實現偶極裡德堡原子的量子調控

2021-01-08 中國科學院

　　由於本身具有大的誘導電偶極矩，裡德堡原子間存在強的偶極相互作用，這一特性在量子計算和量子信息處理方面有重要應用前景。但又由於原子量子虧損的存在，除氫原子外的所有原子在低態的誘導電偶極矩都是隨外電場而變化的，導致非氫原子在外電場中的能級呈抗交叉結構。誘導的電偶極矩不但大小隨外電場而變化，偶極矩的方向也隨外電場而不停翻轉，使偶極原子的量子態操控變得極其困難。 

　　近日，中國科學院武漢物理與數學研究所研究員劉紅平和清華大學物理系教授尤力展開合作研究，提出了一種利用對稱性破缺動態保全原子誘導電偶極矩方向的方案。通常情況下，原子抗交叉能級間的能隙比較大，對應的非絕熱Landau-Zener隧穿時間非常短，在原子的外場操控過程中量子態依然遵循絕熱演化規律，原子的電偶極矩無法保持固定方向，不利於原子間的偶極動力學操控。如果對電場中的原子再施加一個垂直磁場，原子原有的對稱性就會被破壞掉，原子的抗交叉程度也隨之顯著地弱化，使得在較慢的外場操控時間內原子依然能從一個偶極狀態隧穿到具有同樣偶極極性的量子態，從而在相互作用調控前後保持原子的偶極極性不變。基於武漢物數所良好的交叉場實驗平臺，研究團隊在實驗上觀測到了這一對稱性破缺增強的Landau-Zener隧穿效應。對稱性破缺導致描述原子的基矢空間劇增，研究團隊提出了一種局域化的動力學研究方法，很好地復現了動力學物理圖像和實驗過程。

　　相關研究成果發表在Physical Review Letter上。該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金的資助。

　　論文連結 

圖1.紅態鈉原子在交叉場中的動力學時間特徵明顯不同於純電場

圖2.採用局域化動力學研究方法計算的原子在不同外場情形時的LZT動力學演化過程

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　　相關研究成果發表在Physical Review Letter上。該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金的資助。
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