首次成功捕獲高度激發(fā)態(tài)的環(huán)形里德堡原子，長(zhǎng)達(dá)10毫秒

（文章來(lái)源：博科園）

里德堡原子是處于高度激發(fā)態(tài)的原子，具有幾個(gè)獨(dú)特和有利的性質(zhì)，包括特別長(zhǎng)的壽命和對(duì)外場(chǎng)的高靈敏度。這些性質(zhì)使得里德堡原子在各種應(yīng)用中都很有價(jià)值，例如對(duì)于量子技術(shù)的發(fā)展。然而，為了使里德堡原子在量子技術(shù)中得到有效利用，科學(xué)家們首先需要能夠捕獲它們。雖然許多研究已經(jīng)證明了使用磁、電或激光技術(shù)捕獲里德堡原子，但到目前為止實(shí)現(xiàn)的捕獲時(shí)間相對(duì)較短，通常在100μs左右。

卡斯特勒·布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室(LKB)的科學(xué)家，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了環(huán)形里德堡原子更長(zhǎng)的二維激光捕獲時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)10ms，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，概述了他們所采用的方法，可能會(huì)為量子技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟令人興奮的新可能性。開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一Clément Sayrin說(shuō)：我們?cè)诳ㄋ固乩铡げ剂_塞爾實(shí)驗(yàn)室的研究小組，是世界上少數(shù)幾個(gè)可以制備和操縱環(huán)形里德堡能級(jí)的原子之一。

實(shí)際上，研究團(tuán)隊(duì)在使用環(huán)形里德堡原子方面有很長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)，這可以追溯到20世紀(jì)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(xiàn)在致力于在量子技術(shù)中使用這些原子。到目前為止，大多數(shù)使用里德堡原子的量子模擬器都使用非環(huán)形里德堡原子。這些技術(shù)最早是由帕萊索的Optique研究所研究生院(IOGS)的一個(gè)研究小組(由Antoine Browaeys和Thierry Lahaye領(lǐng)導(dǎo))以及由Mikhail Lukin領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)率先提出。

雖然這些模擬器已經(jīng)取得了顯著效果，但它們的能力受到了限制，因?yàn)樗鼈儍?nèi)部的里德堡原子沒(méi)有被捕獲，因此隨著系統(tǒng)的運(yùn)行而繼續(xù)移動(dòng)。這項(xiàng)新研究由Sayrin、Michel Brune(研究主任)、Rodrigo Cortias(博士生)、Maxime Favier(博士后)和LKB的其他研究人員進(jìn)行，介紹了一種解決這個(gè)問(wèn)題的方法，需要使用環(huán)形里德堡原子（即處于里德堡圓態(tài)的原子）和一種稱(chēng)為激光陷阱的技術(shù)。

它可以相當(dāng)好地描述為一個(gè)電子在圓形軌道上遠(yuǎn)離原子核運(yùn)行，這個(gè)軌道幾乎和細(xì)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(qiáng)烈光場(chǎng)的排斥。研究人員基本上利用了環(huán)形里德堡原子被強(qiáng)光排斥的事實(shí)來(lái)捕獲原子。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員制造了一個(gè)甜甜圈形狀的光束，更具體地說(shuō)，是一個(gè)中心有一個(gè)暗斑的環(huán)形激光束，原子最終會(huì)被困在那里。

如果一個(gè)電子位于甜甜圈的中心，它就無(wú)法逃脫：它被困在光束中。然后，重原子核就緊隨其后，通過(guò)庫(kù)侖相互作用被電子吸引！不知何故，研究人員通過(guò)抓住環(huán)形里德伯格原子的電子來(lái)捕獲它。研究人員使用一種被稱(chēng)為空間光調(diào)制器(SLM)的工具，產(chǎn)生了這種甜甜圈形狀的光束?？臻g光調(diào)制器是可以在光束上壓印相位圖案的儀器，這反過(guò)來(lái)又改變了這些光束的形狀。這些獨(dú)特的工具，曾被廣泛用于視頻投影儀，將圖像或視頻反射到表面上。

已經(jīng)制作了自己的視頻投影儀來(lái)產(chǎn)生甜甜圈光束，但用的不是燈泡作為光源，而是一個(gè)強(qiáng)大的紅外激光器，而不是屏幕，把“圖像”照射到里德堡原子上。到目前為止，世界各地的研究人員，只能證明激光捕獲非圓形原子的早期特性，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)幾微秒。另一方面，圓形里德堡原子以前從未被激光捕獲過(guò)。研究表明：事實(shí)上，圓形里德堡原子可以被激光捕獲，并且持續(xù)的時(shí)間明顯更長(zhǎng)，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(lái)的研究中，這一捕獲時(shí)間可能會(huì)進(jìn)一步增加。研究還表明：捕獲圓形里德堡原子不會(huì)影響它們的性質(zhì)（例如，壽命、純度和量子相干性等）。特別是，還證實(shí)了環(huán)形里德堡原子不受光致電離影響的事實(shí)，與其他里德堡能級(jí)相反。這些結(jié)果可能會(huì)對(duì)量子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生許多重要影響，包括用于量子模擬、傳感和信息處理的工具。事實(shí)上，正如研究所證明的那樣，在量子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有效地保持環(huán)形里德堡原子在適當(dāng)?shù)奈恢?，意味著這些原子可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。

這最終可能會(huì)提高不同量子技術(shù)的性能，例如提高傳感器的靈敏度，增加模擬器的模擬時(shí)間等。研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正計(jì)劃實(shí)現(xiàn)一個(gè)激光捕獲的環(huán)形里德堡原子陣列。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將準(zhǔn)備一組中心有孔的光鑷子，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“瓶形光束陷阱”。通過(guò)在每個(gè)瓶子中捕獲一個(gè)且只有一個(gè)圓形里德堡原子，間隔幾微米，將產(chǎn)生一個(gè)相互作用的圓形里德堡原子的規(guī)則陣列。這將實(shí)現(xiàn)一種相互作用自旋的量子模擬器，使科學(xué)家們能夠在前所未有的時(shí)間尺度上運(yùn)行模擬。
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