强外场中里德堡原子的光谱特性及动力学性质的研究

论文摘要

高里德堡态原子的主量子数n可以取很大的数值,原子具有很大的极化电偶极矩,在量子计算和原子操控研究中扮演重要角色。处于外场中的里德堡原子,原子与外加电场的相互作用很强,很容易利用外电场操控里德堡原子的宏观运动,里德堡原子的大电偶极矩特性使原子在梯度电场中有可观测的宏观运动。本论文选择里德堡态钠原子作为研究对象,研究其在外场中的光谱特性及动力学性质,为后续研究奠定基础。本文分别从实验和理论研究里德堡原子与外场的相互作用,主要研究内容包括以下三个方面:（1）采用量子力学方法研究了原子在外场中的标度光谱特性。半经典计算可以很好地解释了碱金属原子的回归谱,但对于价电子比较复杂的碱金属如钡原子,由于量子亏损随主量子数n不规则变化,很难采用半经典的方法解释。考虑量子亏损对能量依赖性的量子力学计算结果与实验观测结果更加吻合,这揭示了量子亏损随能量改变会扰动价电子的轨道并改变其回归谱。（2）研究里德堡钠原子在纯电场中的动力学过程。处于里德堡态的钠原子,在不均匀电场中飞行时会受到一个力,使得原子在梯度场中有可观测的动力学效应。实验上,设计并利用一个多级分离器实现了里德堡钠原子在梯度电场中的加减速控制,结合成像方法直观地观测了里德堡钠原子在梯度电场中的偏转操控。基于钠原子的Stark map理论计算,我们可以求解原子在不同外场条件下的极化偶极矩,根据哈密顿正则方程,我们重现了原子与外场相互作用的动力学过程,分析表明,利用原子在梯度电场中的加减速和偏转效应可以区分不同的里德堡态。（3）研究交叉场中里德堡原子量子态的动力学演化过程。钠原子在抗交叉点附近偶极矩符号翻转,不利于偶极原子的量子态操控。为解决这一难题,实验中,我们对电场中的原子再施加一个垂直磁场,原子的对称性被破坏,原子的抗交叉程度也随之显著地弱化,使得在较慢的外场操控时间内原子依然能从一个偶极状态隧穿到具有同样偶极极性的量子态,从而保证操调前后原子的偶极极性不变。在理论上,我们建立了多能级系统相互作用的态演化量子力学方法。运用该方法,我们给出了钠原子在交叉场中的量子态演化过程和在外场中的宏观运动过程,发现对称性破缺增强了钠原子的Landau-Zener隧穿。本论文利用里德堡原子大电偶极矩的性质研究了高里德堡态钠原子与外场的相互作用,并且给出了一个清晰的里德堡原子量子态动力学演化物理过程。在此基础上,我们下一步将研究原子之间的偶极-偶极相互作用,实现室温下高里德堡态原子的偶极-偶极阻塞效应。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 Rydberg原子
•   1.2 里德堡原子与外场相互作用
•     1.2.1 电场中的里德堡原子
•     1.2.2 里德堡原子的偶极矩
•     1.2.3 里德堡原子与外场相互作用的机理
•   1.3 研究方法
•     1.3.1 理论方法
•     1.3.2 实验方法
•   1.4 主要结构和研究内容
• 第2章 实验装置
•   2.1 激光系统
•   2.2 原子束系统
•     2.2.1 激光溅射系统
•     2.2.2 超声原子束
•   2.3 时序控制系统
•   2.4 超导磁体
•   2.5 信号探测系统
•     2.5.1 离子探测系统
•     2.5.2 CCD成像系统
•     2.5.3 信号采集系统
•   2.6 真空系统
• 第3章 理论方法
•   3.1 闭合轨道理论和标度能谱
•   3.2 里德堡原子的Landau-Zener过程
•     3.2.1 定态薛定愕方程求解
•     3.2.2 Landau-Zener动力学演化求解
• 第4章 外场中里德堡原子的标度能谱
•   4.1 引言
•   4.2 理论分析
•   4.3 结果和分析
•     4.3.1 里德堡钡原子|M|=1的磁场标度能谱
•     4.3.2 里德堡钡原子|M|=1的电场标度能谱
•     4.3.3 里德堡钡原子|M|=0的电场标度能谱
•   4.4 结论
• 第5章 纯电场中里德堡钠原子纵向动力学实验研究——加减速
•   5.1 引言
•   5.2 实验装置
•   5.3 结果和分析
•     5.3.1 里德堡钠原子的两级加减速
•     5.3.2 里德堡钠原子不同量子态的分离
•     5.3.3 模拟分析里德堡钠原子在不均匀电场中的动力学过程
•     5.3.4 里德堡钠原子量子态的演化
•   5.4 结论
• 第6章 纯电场中里德堡钠原子横向动力学实验研究——偏转
•   6.1 引言
•   6.2 实验装置
•   6.3 结果和分析
•     6.3.1 里德堡钠原子25p态的偏转成像
•     6.3.2 里德堡钠原子25s态的偏转成像
•     6.3.3 里德堡钠原子在梯度电场中的运动轨道模拟
•   6.4 结论
• 第7章 交叉场中里德堡钠原子量子态的动力学演化
•   7.1 引言
•   7.2 理论方法
•   7.3 实验装置
•   7.4 结果和分析
•     7.4.1 原子的飞行轨迹
•     7.4.2 里德堡钠原子31s态的动力学演化过程
•       7.4.2.1 实验观测的钠原子31s态的动力学演化结果
•       7.4.2.2 量子力学方法计算的动力学演化过程
•   7.5 结论
• 第8章 总结和展望
• 参考文献
• 作者简介与在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张珊珊

导师: 刘红平

关键词: 里德堡原子,诱导电偶极矩,效应,动力学过程

来源: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

分类号: O562.3

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