光學(xué)晶格是將冷原子裝載于多柬激光相互干涉形成的周期性網(wǎng)狀勢阱，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)”。光學(xué)晶格廣泛應(yīng)用于磁學(xué)、動力學(xué)及量子學(xué)等領(lǐng)域，并被科學(xué)家利用獲得了地球上最低的溫度。

光學(xué)晶格 - 簡介

根據(jù)交流斯塔克效應(yīng)，利用激光駐波場中原子感應(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)激光頻率相對原子共振頻率是紅失諧(即負失諧)時，原子將被俘獲在駐波場的波腹處;反之，當(dāng)激光頻率為藍失諧時，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)狀勢阱，即可實現(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”。

光學(xué)晶格 - 研究歷史

1968年， Letokhov提出了采用駐波場囚禁冷原子的物理思想，1977年，他又進一步提出了采用激光駐波場產(chǎn)生的周期性光學(xué)勢實現(xiàn)原子氣體中類晶體結(jié)構(gòu)的建議，為原子光學(xué)晶格的提出、研究與制備奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代初， Courtois，Verkerk和Jessen等理論與實驗研究了冷原子在一維光學(xué)粘膠(optical molasses)中的動力學(xué)行為、量子化運動和磁學(xué)性質(zhì)等[。州]。在此基礎(chǔ)上，Prentiss提出了原子光學(xué)品格的概念，并進行了簡單的綜述與展望 。隨后，H~nsch和Salomon等開展了有關(guān)冷原子光學(xué)晶格的實驗研究，從而掀起了光學(xué)晶格中冷原子和玻色一愛因斯坦凝聚(BEC)研究的高潮。

2001年后，由一維、二維和三維駐波激光場構(gòu)成的冷原子微光阱陣列(即原子光學(xué)晶格)的研究已成為冷原子物理和原子光學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點之一，在原子光學(xué)晶格中，利用超冷原子氣體與空間周期性調(diào)制光場偶極相互作用可將冷原子囚禁在紅失諧光學(xué)晶格的最大光學(xué)勢處，或囚禁在藍失諧光學(xué)晶格的最小光學(xué)勢處。原子光學(xué)晶格為精確操控中性原子和研究某些基本物理問題提供了一種新的方法。

光學(xué)晶格 - 分類

一維光學(xué)晶格

通常，一維激光駐波場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)域干涉光強隨空間周期性變化，且對原子產(chǎn)生正比于強度梯度的偶極囚禁力是一維駐波場的光強分布(周期是γ/2)或囚禁原子的一維光學(xué)勢分布。當(dāng)冷原子束被裝載到一維駐波場中，并且光場為紅失諧時，冷原子將被囚禁于波腹處;而當(dāng)光場為藍失諧時，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。

二維光學(xué)晶格

1993年，德國慕尼黑大學(xué)的Hi~nsch小組采用二對正交的一維駐波激光場構(gòu)成了二維原子光學(xué)品格 。兩對光束問的位相發(fā)生細微變化，將影響勢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，并通過移動干涉儀中的一塊反射鏡，把二個正交駐波場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，由于相鄰勢阱底部的圓偏振方向是相反的，勢阱的間隔為 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對晶格形態(tài)產(chǎn)生任何影響。當(dāng)晶格光場為藍失諧時，冷原子被囚禁在勢阱底部，形成一六方晶格;而當(dāng)晶格光場為紅失諧時，冷原子被囚禁在勢阱頂部，形成一面心六方晶格。

三維光學(xué)晶格

1993年， H~insch等采用三對正交的駐波激光場構(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方向駐波場之間的相位差之外， z和駐波場之間的相位差 也將對晶格的性質(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 一勢阱之間的對稱性。由于囚禁的原子具有相同的磁化強度，因而形成了鐵磁性的體心立方晶格。

CO2激光晶格

通常，晶格光場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1011oms/cm3，而晶格密度一般為1012cm3左右。如此，晶格的原子填充率很低(早期的實驗結(jié)果不到10%，最近達到40%左右)，無法保證每個晶格的格點上都有原子。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=10.6 m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)生光子散射的時間間隔長達600 s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10uK左右，原子密度被大幅度提高到1012_1013atoms/cm3更高，同時晶格密度降為100atoms/cm0。因此，對于CO2激光晶格，每個格點至少包含了個冷原子。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 - 應(yīng)用范圍

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力學(xué)，Raman冷卻和絕熱冷卻，波包動力學(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算機的存儲器。

這種光學(xué)晶格內(nèi)部交叉光線構(gòu)成強度峰值區(qū)和凹槽區(qū)，有點像是蛋婁結(jié)構(gòu)，而原子則會傾向于留在凹槽區(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一步冷卻到“皮度”(picoKelvin)級別，即絕對溫度以上一萬億分之一度的數(shù)量級。