精心調(diào)諧的激光束可保護(hù)堿金屬原子的量子自旋

在堿金屬原子中保持自旋相干性是現(xiàn)代原子物理和量子技術(shù)的重要課題。無(wú)論是原子磁力計(jì)還是量子存儲(chǔ)器，其性能都取決于自旋極化能否在各種弛豫機(jī)制下長(zhǎng)期維持。然而，熱蒸氣態(tài)堿金屬原子通常受到快速自旋弛豫的影響，主要來(lái)自原子間的碰撞、外部磁場(chǎng)的不均勻性以及與容器壁的相互作用。

傳統(tǒng)的解決方案是采用所謂的“自旋交換弛豫自由”技術(shù)，這種方法通過(guò)在極低磁場(chǎng)和高密度條件下運(yùn)行，來(lái)消除自旋交換導(dǎo)致的相干性喪失。然而，這些條件過(guò)于苛刻，極大限制了技術(shù)在實(shí)際中的靈活應(yīng)用。因此，發(fā)表在PRL的一篇論文提出的“光學(xué)保護(hù)”方法提供了一條新的思路，即通過(guò)引入失諧的激光場(chǎng)減弱自旋弛豫，從而在更為寬松的條件下延長(zhǎng)堿金屬原子的相干壽命。

自旋弛豫的機(jī)制

堿金屬原子中的自旋弛豫源于多方面的因素。首先，在自旋交換碰撞過(guò)程中，盡管總電子自旋在碰撞中守恒，但原子可能在不同的超精細(xì)能級(jí)之間發(fā)生躍遷，而這些能級(jí)在外磁場(chǎng)下的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率并不一致。由于頻率不同，碰撞會(huì)導(dǎo)致整體相位迅速無(wú)序化，從而損害集體的相干性。

其次，原子與容器壁的頻繁碰撞也會(huì)使部分自旋極化喪失，即便采用防弛豫涂層，也無(wú)法完全消除這種影響。最后，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中磁場(chǎng)的不均勻性和噪聲則進(jìn)一步加劇了相位擴(kuò)散的速度。這些機(jī)制共同作用，使得熱蒸氣中的自旋壽命通常遠(yuǎn)短于量子傳感或量子信息處理所需的時(shí)間尺度。

光學(xué)保護(hù)的原理

光學(xué)保護(hù)的基本思想是利用一束遠(yuǎn)離共振的圓偏振激光束在原子能級(jí)中引入光致能級(jí)位移，從而修正超精細(xì)能級(jí)的能量結(jié)構(gòu)。在未加保護(hù)的情況下，不同超精細(xì)能級(jí)的進(jìn)動(dòng)頻率彼此不同，因此原子在碰撞后跨越能級(jí)時(shí)會(huì)引入相位的不一致。

引入光場(chǎng)之后，每個(gè)超精細(xì)能級(jí)都會(huì)經(jīng)歷不同程度的光移位。當(dāng)激光的失諧量、功率和偏振被精確調(diào)節(jié)時(shí)，這些移位能夠使得兩個(gè)能級(jí)的有效進(jìn)動(dòng)頻率趨于相同。此時(shí)，即使發(fā)生自旋交換碰撞，原子依舊保持一致的集體進(jìn)動(dòng)，不再因頻率差異而產(chǎn)生去相干。換句話說(shuō)，體系進(jìn)入了一個(gè)近似無(wú)退相的子空間。由于激光與共振頻率之間存在較大失諧，吸收和散射損耗被顯著抑制，而光致移位仍然足夠強(qiáng)大，可以發(fā)揮保護(hù)作用。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

這一思想已經(jīng)在銫蒸氣中得到了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證。研究者在涂有防弛豫材料、且不含緩沖氣體的蒸氣室中，施加弱靜磁場(chǎng)并引入遠(yuǎn)離共振的圓偏振激光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光學(xué)保護(hù)的作用下，自旋退相率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，極大延長(zhǎng)了相干時(shí)間。

同時(shí)，體系的有效陀螺磁比不再隨自旋極化程度的變化而顯著波動(dòng)，表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性。更為重要的是，光學(xué)保護(hù)不僅對(duì)抗了自旋交換碰撞帶來(lái)的弛豫，還減輕了壁碰撞導(dǎo)致的部分去極化。理論上，研究者提出的“超精細(xì)布洛赫模型”準(zhǔn)確解釋了這些現(xiàn)象，并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

方法的優(yōu)勢(shì)與局限

與傳統(tǒng)的自旋交換弛豫自由技術(shù)相比，光學(xué)保護(hù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。它不依賴于接近零的磁場(chǎng)，而能夠在有限磁場(chǎng)下保持良好的效果。這使其在更多的實(shí)驗(yàn)條件中具有可行性。激光的頻率、功率和偏振提供了高度的可調(diào)性，因而能夠靈活地優(yōu)化保護(hù)效果。此外，這一機(jī)制同時(shí)抑制了自旋交換弛豫和壁弛豫，拓展了相干性的保持能力，也不僅限于銫原子，還可推廣至銣或鉀等其他堿金屬體系。

盡管如此，光學(xué)保護(hù)仍存在一些挑戰(zhàn)。為了獲得足夠大的光移位而又避免過(guò)多的光子散射，需要在激光失諧量和功率之間進(jìn)行權(quán)衡。實(shí)驗(yàn)對(duì)激光頻率、功率、偏振以及磁場(chǎng)的穩(wěn)定性都有較高的要求，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。在一些需要緊湊設(shè)計(jì)的設(shè)備中，引入額外光束也會(huì)帶來(lái)工程上的困難。

結(jié)論

光學(xué)保護(hù)為在熱堿金屬蒸氣中維持自旋相干性提供了一種全新的解決方案。通過(guò)遠(yuǎn)離共振的光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超精細(xì)能級(jí)進(jìn)動(dòng)頻率的同步，它突破了自旋交換弛豫自由技術(shù)必須依賴近零磁場(chǎng)的限制，并在有限磁場(chǎng)下顯著延長(zhǎng)了自旋壽命。實(shí)驗(yàn)中觀察到的數(shù)量級(jí)提升和理論模型的高度一致性證明了這一方法的有效性。隨著應(yīng)用需求的擴(kuò)展，光學(xué)保護(hù)有望成為下一代量子傳感器和精密測(cè)量技術(shù)的重要支撐。