光學(xué)晶格

通常，一維激光駐波場(chǎng)由兩束相向傳播的偏振方向相互平行的線偏振激光束或旋轉(zhuǎn)方向相同的圓偏振光干涉而成，在二光束相遇區(qū)域干涉光強(qiáng)隨空間周期性變化，且對(duì)原子產(chǎn)生正比于強(qiáng)度梯度的偶極囚禁力是一維駐波場(chǎng)的光強(qiáng)分布(周期是γ/2)或囚禁原子的一維光學(xué)勢(shì)分布。當(dāng)冷原子束被裝載到一維駐波場(chǎng)中，并且光場(chǎng)為紅失諧時(shí)，冷原子將被囚禁于波腹處；而當(dāng)光場(chǎng)為藍(lán)失諧時(shí)，冷原子將被囚禁于波節(jié)處，從而形成一維的原子光學(xué)晶格，周期也是γ/2。

1993年，德國慕尼黑大學(xué)的Hi~nsch小組采用二對(duì)正交的一維駐波激光場(chǎng)構(gòu)成了二維原子光學(xué)品格。兩對(duì)光束問的位相發(fā)生細(xì)微變化，將影響勢(shì)阱的偏振和阱深等性質(zhì)。為了解決這一

問題，他們把激光輸出的線偏振光經(jīng)過邁克爾遜干涉儀的反射鏡反射后形成了具有相同線偏振的二維駐波場(chǎng)，并通過移動(dòng)干涉儀中的一塊反射鏡，把二個(gè)正交駐波場(chǎng)的相位差牢牢地控制在咖=7r／2，以便得到穩(wěn)定的矩形晶格，由于相鄰勢(shì)阱底部的圓偏振方向是相反的，勢(shì)阱的間隔為γ／2，故這樣的二維晶格是反鐵磁性的。

另一類二維光學(xué)品格由三束光干涉而成，在這一方案中，三束激光均為線偏振且波矢之間的夾角均為120。，構(gòu)成了六方晶格，并且相鄰勢(shì)阱中原子的磁矩也是反向的。但這與前面的矩形晶格方案不同，光束之間的相位差不會(huì)對(duì)晶格形態(tài)產(chǎn)生任何影響。當(dāng)晶格光場(chǎng)為藍(lán)失諧時(shí)，冷原子被囚禁在勢(shì)阱底部，形成一六方晶格；而當(dāng)晶格光場(chǎng)為紅失諧時(shí)，冷原子被囚禁在勢(shì)阱頂部，形成一面心六方晶格。

1993年，H~insch等采用三對(duì)正交的駐波激光場(chǎng)構(gòu)成了三維原子光學(xué)晶格。三維的情況耍比二維的情況復(fù)雜一些，除了保持原來z和Y方向駐波場(chǎng)之間的相位差之外，z和駐波場(chǎng)之間的相位差也將對(duì)晶格的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。此外，還有采用四束光干涉而成的一些三維光學(xué)晶格方案[，其中Z方向的光束是圓偏振的，其余三束光是線偏振的(在xoy平面內(nèi))，光束間的夾角均是120。雖然光束在xoy平面內(nèi)的投影情況相同，但正是那第四束圓偏振光(方向上的)，打破了盯+和一勢(shì)阱之間的對(duì)稱性。由于囚禁的原子具有相同的磁化強(qiáng)度，因而形成了鐵磁性的體心立方晶格。

通常，晶格光場(chǎng)中的冷原子是通過磁光阱來裝載的，且構(gòu)成光學(xué)晶格的激光一般是近共振的。由于原子間的碰撞以及光子散射效應(yīng)，晶格中的原子密度一般不超過10oms／cm而晶格密度一般為10cm左右。如此，晶格的原子填充率很低(早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不到10％，最近達(dá)到40％左右)，無法保證每個(gè)晶格的格點(diǎn)上都有原子。這就是稱其為“光學(xué)晶格”，而不是“光子晶體”的原因之一。

H~nsch小組的研究發(fā)現(xiàn)采用γ=10．6m的C02激光來構(gòu)成光學(xué)晶格即能解決上述問題。由于CO2激光的失諧量非常大，以致于原子每次發(fā)生光子散射的時(shí)間間隔長達(dá)600s以上，這表明原子在CO2激光晶格中的壽命將比YAG激光晶格中的壽命長約1000倍。另一方面，原子在C02晶格中的溫度低達(dá)10uK左右，原子密度被大幅度提高到10_10atoms／cm更高，同時(shí)晶格密度降為100atoms／cm0。因此，對(duì)于CO2激光晶格，每個(gè)格點(diǎn)至少包含了個(gè)冷原子。顯然，CO激光晶格是一種特殊的光學(xué)晶格，可用于制備中紅外光子晶體。

光學(xué)晶格可廣泛應(yīng)用于研究囚禁原子的鐵磁圳、反鐵磁和順磁性質(zhì)，偏振梯度冷卻與囚禁的動(dòng)力學(xué)，Raman冷卻和絕熱冷卻，波包動(dòng)力學(xué)、量子傳輸與隧道效應(yīng)以及光通過原子光學(xué)晶格的Bragg衍射等。

除了采用冷原子的光學(xué)晶格以外，采用一維、二維和三維的載流導(dǎo)線陣列也可實(shí)現(xiàn)冷原子的磁阱或磁光阱陣列，從而形成一維、二維和三維的原子磁晶格或磁光晶格。原子磁晶格或磁光晶格也可廣泛應(yīng)用于各種磁囚禁行為，波包動(dòng)力學(xué)，量子傳輸與隧道效應(yīng)的研究以及采用冷原子的量子計(jì)算，甚至用于制備一維、二維和三維的光子晶體等。

2011年12月，科學(xué)家利用光學(xué)晶格系統(tǒng)，獲得了地球上最低的溫度記錄，其數(shù)值為零下273.15攝氏度。制備這種極端低溫環(huán)境是研究物質(zhì)基本性質(zhì)，以及量子力學(xué)原理下一些奇異特性的必備條件?？茖W(xué)家們有選擇性地將光學(xué)晶格中“最熱”的原子剔除。這一研究或許將可以被用來制造未來量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器。

這種光學(xué)晶格內(nèi)部交叉光線構(gòu)成強(qiáng)度峰值區(qū)和凹槽區(qū)，有點(diǎn)像是蛋婁結(jié)構(gòu)，而原子則會(huì)傾向于留在凹槽區(qū)內(nèi)，這里是能量最低的區(qū)域。當(dāng)原子被加入到這些凹槽區(qū)中后，接下來再添加入其它后續(xù)的原子將變得愈發(fā)困難，這就是所謂的“障礙”效應(yīng)。

但美國哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)明了針對(duì)這一效應(yīng)的修正版本，稱為“軌道交換障礙”效應(yīng)。這種方法可以讓這些原子進(jìn)一步冷卻到“皮度”(picoKelvin)級(jí)別，即絕對(duì)溫度以上一萬億分之一度的數(shù)量級(jí)。

根據(jù)交流斯塔克效應(yīng)，利用激光駐波場(chǎng)中原子感應(yīng)的偶極力能將中性冷原子囚禁在波長尺度的范圍內(nèi)，當(dāng)激光頻率相對(duì)原子共振頻率是紅失諧(即負(fù)失諧)時(shí)，原子將被俘獲在駐波場(chǎng)的波腹處；反之，當(dāng)激光頻率為藍(lán)失諧時(shí)，原子將被囚禁在波節(jié)處。根據(jù)這一光學(xué)偶極囚禁原理，將冷原子裝載于多柬激光相互干涉形成的周期性網(wǎng)狀勢(shì)阱，即可實(shí)現(xiàn)冷原子的一維、二維或三維微光學(xué)囚禁，從而形成冷原子的空間周期性排列，類似于固體物理中的“晶體結(jié)構(gòu)”，為此人們稱之為“光學(xué)晶格”。