[發明專利]一種移動單個原子位置的系統和方法

有效

• 申請號: 202010524157.X
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111721410B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 郭龑強;張江江;郭曉敏
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44;G02B26/10
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 趙江艷

本發明涉及原子操控技術領域，具體涉及一種移動單個原子位置的系統和方法，系統包括激光器，激光器發出的激光依次經聲光調制器、雙軸掃描振鏡、偏振分束棱鏡、透鏡組、45度全反鏡和非球面鏡后在真空玻璃氣室內聚焦形成尺寸小于2um的腰斑；三維平移臺用于微調腰斑位置，使其與磁光阱系統形成的原子俘獲區域重合形成光學偶極阱并裝載單個原子；光學偶極阱中的單個原子發出的熒光經非球面鏡、兩個45度全反鏡，透鏡組、偏振分束棱鏡和干涉濾波片后被單光子探測器探測；雙軸掃描振鏡用于通過調節激光束的偏轉角度實現光學偶極阱中單個原子的移動。本發明結構簡單，占用空間少，調節方便，可以在200μm的范圍內移動原子。

技術領域

本發明涉及原子操控技術領域，具體涉及一種移動單個原子位置的系統和方法。

背景技術

單個原子本身就是一個理想的量子體系，隨著原子的微觀結構及其屬性被人們所認知，激光冷卻和磁光阱技術的出現，使微米尺度的光學偶極阱或高精細度光學腔或磁光阱技術等俘獲方式，都可以實現單原子長時間地囚禁。在光學腔內俘獲單原子的代表性實驗包括: 1999年，美國的Kimble 小組在腔內構建遠失諧的光學偶極阱俘獲單個原子，在腔內的俘獲時間為28ms；2000年，該小組在腔內構建的近共振偶極阱,近共振光因其光子散射率大，對原子的輻射加熱不可忽略，僅可以俘獲單個原子約1ms；2003年，腔內偶極阱的構建使俘獲單個原子時長延長為2-3s；2005年，德國的Rermpe小組進一步采用三維腔冷卻和原子傳送帶技術,將單個原子的俘獲時間延長到平均17s；到2012年，該小組在對原子進行反饋控制的基礎上同時進行了實驗參數的優化，將光學腔內俘獲到的單原子時長延長到分鐘水平。單個原子的控制和測量在超靈敏監測、超低信號分析與微納尺度的操控與測量方面具有重要的應用前景，作為一個基本的量子系統，在探索和研究基礎物理以及量子信息存儲、量子通訊、量子計算等諸多方面具有極其重要的意義。早在1968年，蘇聯的科學家就提出利用激光把原子俘獲在光強最強處的建議，但因其阱深較淺，不能從室溫背景氣體中直接俘獲原子；光學偶極阱是利用光與原子的偶極相互作用俘獲預冷卻的原子，特別是遠失諧的光學偶極阱(FORT)；由于俘獲光的頻率遠離原子躍遷線且其散射率極低，因此FORT可以認為是近似的保守勢阱。在這種勢阱中，原子內態的相干性可以得到較長時間的保持，同時利用光斑的強聚焦和多光束干涉效應可以構建多種構型的光學偶極阱，其阱的尺寸可以做到微米量級，即達到光的衍射極限，這有利于對原子空間局域化，實現外部自由度的控制，更加有利于研究原子的移動，探索原子的移動距離，移動速率等特征。

現有技術中，由于原子的自有特性，單個原子的移動和操控難以真正實現，為了實現單個原子的移動和操控，需要提供一種移動單個原子位置的系統和方法。

發明內容

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種移動單個原子位置的系統和方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種移動單個原子位置的系統，包括磁光阱系統，所述磁光阱系統用于在真空玻璃氣室中形成原子俘獲區域，還包括激光器、雙軸掃描振鏡、聲光調制器、偏振分束棱鏡、透鏡組、三維平移臺、干涉濾波片、光子探測器和非球面鏡，所述非球面鏡設置在真空玻璃氣室的側壁上；兩個45度全反鏡通過三維調節鏡架設置在所述三維平移臺上，所述激光器發出的激光依次經聲光調制器、雙軸掃描振鏡、偏振分束棱鏡、透鏡組、兩個45度全反鏡和非球面鏡后在真空玻璃氣室內聚焦形成尺寸小于2μm的腰斑；所述三維平移臺用于調節腰斑的位置，使其與磁光阱系統形成的原子俘獲區域重合形成光學偶極阱并裝載單個原子；光學偶極阱中的單個原子發出的熒光依次經非球面鏡、兩個45度全反鏡、透鏡組、偏振分束棱鏡和干涉濾波片后被單光子探測器探測；所述雙軸掃描振鏡用于通過調節激光的偏轉角度實現光學偶極阱中單個原子的移動。

所述非球面鏡通過導管與所述三維平移臺固定連接，所述三維平移臺用于通過所述導管驅動所述非球面鏡和兩個45度全反鏡運動，進而改變腰斑位置使其與與磁光阱系統形成的原子俘獲區域重合。