超冷里德堡原子相互作用及碰撞特性研究

【摘要】：里德堡原子是指原子中的一个电子被激发到主量子数很大的激发态原子。与基态原子相比,里德堡原子具有较大的原子半径和电偶极矩,以及较长的原子寿命等特点,正是由于这些奇特的性质使里德堡原子研究一直是原子分子物理研究的重要内容之一。近年来,激光冷却与俘获技术的发展为里德堡原子的研究提供了全新的技术和方法,并使里德堡原子的物理内涵可以深入揭示。以冷原子为介质产生的超冷里德堡原子几乎是静止不动的,而且超冷里德堡原子间的相互作用远远大于原子的热动能,特别是可以通过外场调控里德堡原子间的长程相互作用。因此,原子间的强相互作用很大程度上决定了超冷里德堡原子的动力学行为。由于里德堡原子具有易于调控的特点,超冷里德堡原子在量子信息存储、量子计算及量子信息处理等方面具有潜在的研究价值和应用前景。本文理论上计算了铯里德堡原子的Stark结构和长程相互作用势,实验上以冷原子为样品,通过两步激发产生超冷里德堡原子。获得了超冷铯里德堡原子的离子谱和特征参数,在此基础上系统研究了超冷里德堡原子的碰撞特性和相互作用诱导的态转移的动力学行为。首先,利用连续倍频激光器对超冷铯原子nD态(39n50)Stark光谱及极化率进行了测量,得到与理论计算一致的结果；其次,利用染料激光器测量了超冷铯原子里德堡nS和nD态(30n40)的寿命以及nD态(37n40)的碰撞截面,实验结果与理论结果相一致；再次,详细研究了高态里德堡原子间的碰撞损失率及电场诱导的态转移过程。 本文的创新工作概括如下： 1.实验上研究了超冷铯原子里德堡态有效寿命随原子密度的变化,在低里德堡原子密度下测量了超冷铯原子nS和nD态(30n40)的寿命,得到与现有理论一致的结果。 2.实验上测量了超冷铯原子里德堡态的有效损失率随里德堡原子密度的变化,并拟合得到里德堡nD态(37n40)的碰撞截面,理论上很好地解释了实验结果。 3.系统地研究了超冷铯原子高里德堡态的碰撞效应,拟合得到里德堡原子间及里德堡原子与基态原子间的碰撞损失率,并研究了外加电场对里德堡原子碰撞损失的影响。 4.研究了里德堡原子相互作用诱导的量子态的转移,特别是量子态转移在电场、延迟时间和光强等不同参数下的动力学演化。