将原子冷却到零下272​度后，成功激发到高能量的里德堡状态！

冲绳科技大学研究生院（OIST）量子技术部轻物质相互作用的研究人员，在纳米薄光纤附近产生了里德堡原子，即异常大的激发原子，其研究发现发表在《物理评论研究》期刊上，标志着量子信息处理的新平台取得了进展，该平台有可能给材料和药物发现带来革命性的变化，并提供更安全的量子通信。由于里德堡原子对电场和磁场的非凡敏感性，长期以来一直激起物理学家的兴趣。

与纳米光学纤维结合使用，这些超敏感原子可以在新型可伸缩量子设备中发挥重要作用，然而，里德堡原子显然很难控制。冲绳科技大学研究生院的博士生、该研究的第一作者克里希纳普里亚·苏布拉莫尼安·拉贾斯里(Krishnapya Subramonian Rajasree)说：这项研究的主要目的是让里德堡原子接近纳米纤维。这一装置为研究里德堡原子和纳米纤维表面之间的相互作用创造了一个新系统。

不寻常的原子

为了进行研究，科学家们使用了一种名为磁光陷阱的设备来捕获一簇铷(Rb)原子团，将原子的温度降低到绝对零度以上一度（约-272摄氏度），并让纳米纤维穿过原子云。然后，科学家们使用482 nm的光束穿过纳米纤维，将铷原子激发到更高能量的里德堡状态。这些围绕纳米纤维表面形成的里德堡原子，在尺寸上比普通的里德堡原子要大。当原子的电子获得能量时，它们会远离原子核，产生更大的原子。

（上图所示）科学家们使用一种名为磁光阱(MOT)的装置来捕获和冷却铷原子，然后将其激发到里德堡状态。图片：Okinawa Institute of Science and Technology

这种不同寻常的大小提高了原子对其环境和其他里德堡原子存在的敏感度。通过实验，科学家们将里德堡原子带到了距离纳米光纤仅几纳米的范围内，从而增加了原子与在纳米光纤中传播的光之间的相互作用。由于里德堡原子的反常性质，它们逃出了磁光阱。通过研究原子损失如何依赖于光的功率和波长，科学家们能够理解里德堡原子行为的各个方面。

利用光在纳米光纤中传播的能力来激发并控制里德堡原子，可能有助于为量子通信方法铺平道路，同时也预示着量子计算的渐进进展。OIST的博士后学者、该研究的合著者杰西·埃弗雷特(Jesse Everett)博士说：了解光和里德堡原子之间的相互作用是至关重要的，利用这些原子可以利用非常少量的光安全地路由通信信号。展望未来，研究人员希望结合光学纳米纤维进一步研究里德堡原子的性质。

在未来的研究中，研究打算观察尺寸更大的里德堡原子，以探索这个系统的可能性和局限性。这是一个由冷里德堡原子和纳米光纤界面组成的可控混合量子系统，利用双光子梯形激发。研究也证明了在距纳米纤维表面亚微米距离的相干和非相干里德堡激发。这项工作在研究亚微米里德堡原子-表面相互作用和将冷里德堡原子用于全光纤量子网络方面取得了新进展。

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博科园｜研究/来自： 冲绳科学技术大学院大学

参考期刊《物理评论研究》

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.012038

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