光学晶格

类似于固体物理中的“晶体结构”

光学晶格是将冷原子装载于多束激光相互干涉形成的周期性网状势阱，形成冷原子的空间周期性排列，类似于固体物理中的“晶体结构”。光学晶格广泛应用于磁学、动力学及量子学等领域，并被科学家利用获得了地球上最低的温度。

晶格简介

根据交流斯塔克效应，利用激光驻波场中原子感应的偶极力能将中性冷原子囚禁在波长尺度的范围内，当激光频率相对原子共振频率是红失谐(即负失谐)时，原子将被俘获在驻波场的波腹处；反之，当激光频率为蓝失谐时，原子将被囚禁在波节处。根据这一光学偶极囚禁原理，将冷原子装载于多束激光相互干涉形成的周期性网状势阱，即可实现冷原子的一维、二维或三维微光学囚禁，从而形成冷原子的空间周期性排列，类似于固体物理中的“晶体结构”，为此人们称之为“光学晶格”。

研究历史

1968年，Letokhov提出了采用驻波场囚禁冷原子的物理思想，1977年，他又进一步提出了采用激光驻波场产生的周期性光学势实现原子气体中类晶体结构的建议，为原子光学晶格的提出、研究与制备奠定了基础。

20世纪90年代初，Courtois，Verkerk和Jessen等理论与实验研究了冷原子在一维光学粘胶(opticalmolasses)中的动力学行为、量子化运动和磁学性质等。在此基础上，Prentiss提出了原子光学品格的概念，并进行了简单的综述与展望。随后，H~nsch和Salomon等开展了有关冷原子光学晶格的实验研究，从而掀起了光学晶格中冷原子和玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)研究的高潮。

2001年后，由一维、二维和三维驻波激光场构成的冷原子微光阱阵列(即原子光学晶格)的研究已成为冷原子物理和原子光学领域中的研究热点之一，在原子光学晶格中，利用超冷原子气体与空间周期性调制光场偶极相互作用可将冷原子囚禁在红失谐光学晶格的最大光学势处，或囚禁在蓝失谐光学晶格的最小光学势处。原子光学晶格为精确操控中性原子和研究某些基本物理问题提供了一种新的方法。

晶格分类

1.一维光学晶格

通常，一维激光驻波场由两束相向传播的偏振方向相互平行的线偏振激光束或旋转方向相同的圆偏振光干涉而成，在二光束相遇区域干涉光强随空间周期性变化，且对原子产生正比于强度梯度的偶极囚禁力是一维驻波场的光强分布(周期是γ/2)或囚禁原子的一维光学势分布。当冷原子束被装载到一维驻波场中，并且光场为红失谐时，冷原子将被囚禁于波腹处；而当光场为蓝失谐时，冷原子将被囚禁于波节处，从而形成一维的原子光学晶格，周期也是γ/2。

2.二维光学晶格

1993年，德国慕尼黑大学的Hi~nsch小组采用二对正交的一维驻波激光场构成了二维原子光学品格。两对光束问的位相发生细微变化，将影响势阱的偏振和阱深等性质。为了解决这一问题，他们把激光输出的线偏振光经过迈克尔逊干涉仪的反射镜反射后形成了具有相同线偏振的二维驻波场，并通过移动干涉仪中的一块反射镜，把二个正交驻波场的相位差牢牢地控制在咖=7r/2，以便得到稳定的矩形晶格，由于相邻势阱底部的圆偏振方向是相反的，势阱的间隔为γ/2，故这样的二维晶格是反铁磁性的。

另一类二维光学品格由三束光干涉而成，在这一方案中，三束激光均为线偏振且波矢之间的夹角均为120。，构成了六方晶格，并且相邻势阱中原子的磁矩也是反向的。但这与前面的矩形晶格方案不同，光束之间的相位差不会对晶格形态产生任何影响。当晶格光场为蓝失谐时，冷原子被囚禁在势阱底部，形成一六方晶格；而当晶格光场为红失谐时，冷原子被囚禁在势阱顶部，形成一面心六方晶格。

3.三维光学晶格

1993年，H~insch等采用三对正交的驻波激光场构成了三维原子光学晶格。三维的情况耍比二维的情况复杂一些，除了保持原来z和Y方向驻波场之间的相位差之外，z和驻波场之间的相位差也将对晶格的性质产生很大的影响。此外，还有采用四束光干涉而成的一些三维光学晶格方案，其中Z方向的光束是圆偏振的，其余三束光是线偏振的(在xoy平面内)，光束间的夹角均是120。虽然光束在xoy平面内的投影情况相同，但正是那第四束圆偏振光(方向上的)，打破了盯+和一势阱之间的对称性。由于囚禁的原子具有相同的磁化强度，因而形成了铁磁性的体心立方晶格。

4.CO2激光晶格

通常，晶格光场中的冷原子是通过磁光阱来装载的，且构成光学晶格的激光一般是近共振的。由于原子间的碰撞以及光子散射效应，晶格中的原子密度一般不超过10oms/cm，而晶格密度一般为10cm左右。如此，晶格的原子填充率很低(早期的实验结果不到10%，最近达到40%左右)，无法保证每个晶格的格点上都有原子。这就是称其为“光学晶格”，而不是“光子晶体”的原因之一。

H~nsch小组的研究发现采用γ=10．6m的C02激光来构成光学晶格即能解决上述问题。由于CO2激光的失谐量非常大，以致于原子每次发生光子散射的时间间隔长达600s以上，这表明原子在CO2激光晶格中的寿命将比YAG激光晶格中的寿命长约1000倍。另一方面，原子在C02晶格中的温度低达10uK左右，原子密度被大幅度提高到10_10atoms/cm更高，同时晶格密度降为100atoms/cm0。因此，对于CO2激光晶格，每个格点至少包含了个冷原子。显然，CO激光晶格是一种特殊的光学晶格，可用于制备中红外光子晶体。

应用范围

光学晶格可广泛应用于研究囚禁原子的铁磁圳、反铁磁和顺磁性质，偏振梯度冷却与囚禁的动力学，Raman冷却和绝热冷却，波包动力学、量子传输与隧道效应以及光通过原子光学晶格的Bragg衍射等。

除了采用冷原子的光学晶格以外，采用一维、二维和三维的载流导线阵列也可实现冷原子的磁阱或磁光阱阵列，从而形成一维、二维和三维的原子磁晶格或磁光晶格。原子磁晶格或磁光晶格也可广泛应用于各种磁囚禁行为，波包动力学，量子传输与隧道效应的研究以及采用冷原子的量子计算，甚至用于制备一维、二维和三维的光子晶体等。

2011年12月，科学家利用光学晶格系统，获得了地球上最低的温度记录，其数值为零下273.15摄氏度。制备这种极端低温环境是研究物质基本性质，以及量子力学原理下一些奇异特性的必备条件。科学家们有选择性地将光学晶格中“最热”的原子剔除。这一研究或许将可以被用来制造未来量子计算机的存储器。

这种光学晶格内部交叉光线构成强度峰值区和凹槽区，有点像是蛋娄结构，而原子则会倾向于留在凹槽区内，这里是能量最低的区域。当原子被加入到这些凹槽区中后，接下来再添加入其它后续的原子将变得愈发困难，这就是所谓的“障碍”效应。

但美国哈佛大学的研究人员发明了针对这一效应的修正版本，称为“轨道交换障碍”效应。这种方法可以让这些原子进一步冷却到“皮度”(picoKelvin)级别，即绝对温度以上一万亿分之一度的数量级。

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