重磅！长达10毫秒：成功捕获高度激发态的环形里德堡原子！

里德堡原子是处于高度激发态的原子，具有几个独特和有利的性质，包括特别长的寿命和对外场的高灵敏度。这些性质使得里德堡原子在各种应用中都很有价值，例如对于量子技术的发展。然而，为了使里德堡原子在量子技术中得到有效利用，科学家们首先需要能够捕获它们。虽然许多研究已经证明了使用磁、电或激光技术捕获里德堡原子，但到目前为止实现的捕获时间相对较短，通常在100μs左右。

卡斯特勒·布罗塞尔实验室(LKB)的科学家，现在实现了环形里德堡原子更长的二维激光捕获时间最长可达10ms，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上，概述了他们所采用的方法，可能会为量子技术的发展开辟令人兴奋的新可能性。开展这项研究的研究人员之一Clément Sayrin说：我们在卡斯特勒·布罗塞尔实验室的研究小组，是世界上少数几个可以制备和操纵环形里德堡能级的原子之一。

实际上，研究团队在使用环形里德堡原子方面有很长的经验，这可以追溯到20世纪70/80年代和塞尔日·哈罗什(Serge Haroche)的研究工作，新研究很大一部分现在致力于在量子技术中使用这些原子。到目前为止，大多数使用里德堡原子的量子模拟器都使用非环形里德堡原子。这些技术最早是由帕莱索的Optique研究所研究生院(IOGS)的一个研究小组(由Antoine Browaeys和Thierry Lahaye领导)以及由Mikhail Lukin领导的哈佛大学一个团队率先提出。

虽然这些模拟器已经取得了显著效果，但它们的能力受到了限制，因为它们内部的里德堡原子没有被捕获，因此随着系统的运行而继续移动。这项新研究由Sayrin、Michel Brune(研究主任)、Rodrigo Cortiñas(博士生)、Maxime Favier(博士后)和LKB的其他研究人员进行，介绍了一种解决这个问题的方法，需要使用环形里德堡原子（即处于里德堡圆态的原子）和一种称为激光陷阱的技术。当一个原子被激发到环形里德堡水平时：

它可以相当好地描述为一个电子在圆形轨道上远离原子核运行，这个轨道几乎和细菌一样大。因此，电子几乎是自由的，自由电子和任何带电粒子一样，都受到强烈光场的排斥。研究人员基本上利用了环形里德堡原子被强光排斥的事实来捕获原子。为了实现这一点，研究人员制造了一个甜甜圈形状的光束，更具体地说，是一个中心有一个暗斑的环形激光束，原子最终会被困在那里。

如果一个电子位于甜甜圈的中心，它就无法逃脱：它被困在光束中。然后，重原子核就紧随其后，通过库仑相互作用被电子吸引！不知何故，研究人员通过抓住环形里德伯格原子的电子来捕获它。研究人员使用一种被称为空间光调制器(SLM)的工具，产生了这种甜甜圈形状的光束。空间光调制器是可以在光束上压印相位图案的仪器，这反过来又改变了这些光束的形状。这些独特的工具，曾被广泛用于视频投影仪，将图像或视频反射到表面上。

已经制作了自己的视频投影仪来产生甜甜圈光束，但用的不是灯泡作为光源，而是一个强大的红外激光器，而不是屏幕，把“图像”照射到里德堡原子上。到目前为止，世界各地的研究人员，只能证明激光捕获非圆形原子的早期特性，持续时间不超过几微秒。另一方面，圆形里德堡原子以前从未被激光捕获过。研究表明：事实上，圆形里德堡原子可以被激光捕获，并且持续的时间明显更长，到目前为止，研究人员能够捕获这些原子大约10毫秒。

但在未来的研究中，这一捕获时间可能会进一步增加。研究还表明：捕获圆形里德堡原子不会影响它们的性质（例如，寿命、纯度和量子相干性等）。特别是，还证实了环形里德堡原子不受光致电离影响的事实，与其他里德堡能级相反。这些结果可能会对量子技术的发展产生许多重要影响，包括用于量子模拟、传感和信息处理的工具。事实上，正如研究所证明的那样，在量子系统运行时，有效地保持环形里德堡原子在适当的位置，意味着这些原子可以使用更长的时间。

这最终可能会提高不同量子技术的性能，例如提高传感器的灵敏度，增加模拟器的模拟时间等。研究团队现在正计划实现一个激光捕获的环形里德堡原子阵列。为了实现这一点，将准备一组中心有孔的光镊子，这种结构被称为“瓶形光束陷阱”。通过在每个瓶子中捕获一个且只有一个圆形里德堡原子，间隔几微米，将产生一个相互作用的圆形里德堡原子的规则阵列。这将实现一种相互作用自旋的量子模拟器，使科学家们能够在前所未有的时间尺度上运行模拟。

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参考期刊《物理评论快报》

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