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超冷艳Rydberg原子的电场效应研究

朱兴波  
【摘要】: Rydberg原子由于其最外层电子处于高激发态而具备一些与基态原子不同的性质,如能级间隔小,电偶极距大,相互作用强等。随着激光冷却与俘获原子的技术与高分辨光谱技术的发展,人们可以获得了微开量级的Rydberg原子,这种原子在我们观察的时间尺度即1μs内运动的距离远小于原子的间距,其动能也远远小于其相互作用的势能,因此也将这种原子成为冻结的Rydberg原子,这种原子的动力学过程主要由原子间相互作用和外场来确定,超冷Rydberg原子的相互作用引起的激发阻塞效应可以用来构建量子逻辑门进而实现量子存储,很快就成为了原子分子物理学领域的研究热点。 Rydberg原子的束缚能很小,其能级间隔也很小,很容易受到外场的影响,其电场极化率与主量子数的七次方成正比,因此我们可以利用电场调节原子能级进而调控原子间的相互作用,从而应用于量子逻辑门的研究。这种原子能级在外加电场作用下产生分裂的现象称为Stark效应。本文的主要工作是在获得超冷原子的基础上,利用双光子激发获得超冷铯Rydberg原子。研究了超冷Rydberg原子的Stark效应,用脉冲场电离的方法获得了Rydberg态的Stark光谱图。并拟合计算了nD态原子的极化率,实验结果与理论相吻合。本文的主要内容分为以下几个部分: 第一:简单介绍了Rydberg原子的一些独特的性质,并对其相互作用做了一些理论上的说明,分别介绍了范德瓦尔斯力与偶极偶极相互作用力。对Stark效应的概念和相关发展史以及其最近的一些研究结果做了介绍,最后介绍了Rydberg原子的应用前景及其研究进展。 第二:介绍了在我们实验室中制备超冷Rydberg原子的过程,首先介绍了冷却与俘获原子的过程包括磁光阱系统等。又对Rydberg原子的制备过程和探测技术做了简单说明,以及第二步激发的激发光光源,探测技术等。最后给出了我们的实验总装置图。 第三:Stark结构的理论计算。首先分别采用数值计算的方法和解析的方法计算了氢原子的Stark能级结构,经过对比可以验证数值计算的方法是可行的,最后用数值方法详细计算并绘制出了铯Rydberg原子的Stark能级结构图。 第四:本文的实验部分。首先由染料激光器做为第二步激发光的光源,获得了铯Rydberg原子的Stark光谱,又采用连续可调谐半导体倍频激光器做为第二步激发光的光源对nD(n=39~50)态做了详细的研究,并得出了nD态的标量极化率α0和张量极化率α2,通过与理论计算结果的比较可以看到我们的实验结果在误差允许的范围内和理论计算结果基本吻合。


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