[发明专利]用于中性原子的二维磁光阱

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2011年8月29日提交的被转让给其受让人和至少一位发明人的编号为61/573,081的临时性专利申请文件和于2012年2月23日由其发明人提交的被转让给其受让人的编号为61/634,086的临时性专利申请的优先权，以上两个文件均通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及用于量子光学试验中的具有高光学厚度的中性原子囚禁装置。

背景技术

自从上世纪80年代激光冷却和囚禁技术发展起来以后[E.L.Raab,M.Prentiss,A.Cable,S.Chu,and D.E.Pritchard,Phys.Rev.Lett.59,2631(1987)]（其获得1997年度的诺贝尔物理学奖），

磁光阱（MOT）已被广泛应用和实施于原子物理和量子光学等领域以便为科研提供冷原子源。多种可用于原子传感器和量子光学领域的冷原子装置已被发明，部分已实现商品化[参见ColdQuanta Inc;D.Z.Anderson and J.G.J.Re i chel,美国专利号2005/0199871;D.Z.Anderson等,美国专利号2010/0200739;M.Hyodo,美国专利号7,816,643B2]。最常用的冷原子装置是三维（3D）磁光阱，它由六束囚禁激光束和一个三维四极磁场构成，其中冷原子云被以球形囚禁于磁场零点的位置。在那种结构中，空间上只有一个磁场零点，而且原子在每一个方向上都历经磁场梯度。因此，对于需要长的原子相干时间的实验和应用，例如电磁感应透明（EIT）、原子的量子存储以及单光子产生等等，必须在实验的时间窗口之前关断磁场[A.Kuzmich,W.P.Bowen,A.D.Boozer,A.Boca,C.W.Chou,L.-M.Duan,and H.J.Kimble,Nature423,731(2003).]。这显著增加了控制系统的复杂程度并妨碍了以高重复率采集实验数据，这是因为要关断电感在磁场线圈中引起的电流始终需要一定的时间。基于三维磁光阱的量子光学和光子计数实验是一种典型的费时实验。

一种改进的方案是将三维的四极磁场变为具有一条零磁场线的二维的四极磁场。这被称为二维磁光阱，其中冷原子被囚禁在沿长对称轴的零磁场线周围。常规的二维磁光阱装置有两种配置。在第一种配置中，仅有4束垂直于长对称轴传播的囚禁激光[T.G.Tiecke,S.D.Gensemer,A.Ludewig,and J.T.M.Walraven,Phys.Rev.A80,013409(2009)]。这导致冷却和囚禁仅在二维上发生，沿着原子可以自由移动的长对称轴不存在冷却和囚禁。在第二种配置中，沿长轴方向增加了2束相向传播的囚禁激光从而在第三维上提供了额外的冷却[K.Dieckmann,R.J.C.Spreeuw,M.Weidemuller,and J.T.M.Walraven,Phys.Rev.A58,3891(1998)]。然而在那种装置中，沿长对称轴方向的光学通道被沿该方向的两束囚禁光阻挡或分享。常规二维磁光阱通常用来产生移动原子束而不是提供稳定的原子陷阱。

高光学厚度（OD）是许多量子光学研究中的所追求的条件[A.V.Gorshkov,A.Andre,M.Fleischhauer,A.S.Sorensen,and M.D.Lukin,Phys.Rev.Lett.98,123601(2007)]，但是在传统的磁光阱光学配置中，通常通过增加磁光阱的尺寸使得原子云中能够包含更多的冷原子来获得高OD。但是，磁光阱的尺寸通常是由磁光阱激光束的尺寸决定并且受到激光总功率的限制。另一种提高OD的方法是使用暗点配置来增加原子云中的原子密度[W.Ketterle,K.B.Davis,M.A.Joffe,A.Martin and D.E.Pritchard,Phys.Rev.Lett.70,2253(1993)]，但在应用中经常要求关断磁场梯度。另外，在常规二维磁光阱中，光学通道由于其几何形状而受限，并且OD也需要进一步提高。

发明内容

二维（2D）磁光阱（MOT）包括原子源、可烘烤的超高真空吸收池、二维的四极磁场、至少六束囚禁光和至少一束再抽运激光束。在暗线二维磁光阱装置中，使用了两束正交的再抽运激光束，每束光中的暗线在吸收池的中心沿着长对称轴方向相交。至少两对囚禁激光束没有沿着四极磁场的对称轴布置：它们被沿着与磁光阱的长对称轴有非零度夹角的方向布置。

附图说明

图1是具有八边形吸收池和磁场线圈的二维磁光阱的装置示意性示图，以及示出了激光束的布置。