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更新時(shí)間：2025-05-28
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冷原子具有量子效應(yīng)顯著且可精準(zhǔn)控制的特點(diǎn)，是研究多體量子理論和光與物質(zhì)相互作用的理想體系。強(qiáng)激光場(chǎng)是探索特殊環(huán)境中奇異量子現(xiàn)象以及對(duì)量子規(guī)律調(diào)控的重要手段。反應(yīng)顯微譜儀是原子分子領(lǐng)域先進(jìn)的全空間多粒子符合探測(cè)技術(shù)，具有對(duì)粒子動(dòng)量分布精密成像的能力。
融合冷、快、強(qiáng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，利用動(dòng)量成像技術(shù)，可開展銣冷原子的強(qiáng)場(chǎng)物理過(guò)程研究。近年來(lái)，采用類似的技術(shù)路線，國(guó)際上已經(jīng)在離子碰撞、多光子相干激發(fā)電離、冷分子形成演化、里德堡原子間相互作用、多體相互作用、冷化學(xué)反應(yīng)，Beta衰變等領(lǐng)域開展一系列研究。
中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院江玉海研究員課題組把激光冷卻技術(shù)和反應(yīng)顯微譜儀技術(shù)結(jié)合，成功研制了國(guó)內(nèi)套銣原子磁光阱反沖離子動(dòng)量譜儀(Magneto-optical Trap Recoil Ion Momentum Spectroscopy, MOTRIMS)，如圖1所示。該裝置包含一套針對(duì)Rb原子的MOT系統(tǒng)，將Rb (85Rb)原子在二維磁光阱(2D MOT)中預(yù)冷，并推送到反應(yīng)腔，通過(guò)反亥姆霍茲線圈和六束冷卻光的共同作用形成最終的三維磁光阱(3D MOT)。
圖1 銣原子磁光阱反沖離子動(dòng)量譜儀
利用中心波長(zhǎng)為800 nm，重復(fù)頻率為1 kHz，單脈沖能量為4 mJ的飛秒激光與不同Rb原子靶電離結(jié)果對(duì)比如圖2所示。從圖中可看出，通過(guò)冷卻后Rb原子可實(shí)現(xiàn)更加精密的測(cè)量。兩種測(cè)量半高寬的結(jié)果對(duì)比顯示，冷卻后飛行時(shí)間質(zhì)譜的測(cè)量精密至少提高了14倍。與相近質(zhì)量的氣體靶相比，測(cè)量精密提高了大約3倍。
圖2 熱蒸氣靶和3D MOT靶的動(dòng)量譜。虛線(紅色)為熱蒸氣靶的Rb+的動(dòng)量分布，右側(cè)縱坐標(biāo)軸為熱蒸氣靶的計(jì)數(shù);實(shí)線(藍(lán)色)表示3D MOT靶Rb+的TOF譜和動(dòng)量分布，左側(cè)縱坐標(biāo)軸表示3D MOT靶的計(jì)數(shù)，上方橫坐標(biāo)軸標(biāo)示了3D MOT靶的飛行時(shí)間
結(jié)果顯示，結(jié)合超冷、超快和強(qiáng)激光的MOTRIMS技術(shù)，通過(guò)探測(cè)冷原子電子和離子動(dòng)量分布，可獲取激光與金屬原子相互作用的微觀量子信息，進(jìn)而精密研究不同強(qiáng)度、不同脈寬、不同波長(zhǎng)的激光與Rb原子的相互作用。
Rb+離子的二維動(dòng)量分布圖，以及在x、z方向上的動(dòng)量分布投影圖，如圖3所示。在線偏光極化方向上動(dòng)量分布pz = ± 0.18 a.u.處存在一個(gè)“雙峰"結(jié)構(gòu)(圖中兩條垂直虛線)，這是典型的光電離偶極躍遷動(dòng)量分布圖。此外，在pz = ± 0.39 a.u.處也存在一個(gè)微弱結(jié)構(gòu)(圖中兩條垂直點(diǎn)劃線)，這是典型的閾上電離特征，關(guān)于這些特征峰和激光強(qiáng)度等參數(shù)的依賴關(guān)系研究將在后續(xù)工作中展開。
圖3 molasses靶與強(qiáng)場(chǎng)相互作用后的Rb+動(dòng)量分布。(a)x、z方向的動(dòng)量分布;(b)線性坐標(biāo)下z方向的動(dòng)量分布;(c)log坐標(biāo)下z方向的動(dòng)量分布
在接下來(lái)的研究中，課題組將在MOTRIMS中加入電子測(cè)量，實(shí)現(xiàn)銣冷原子的電子與電子、電子與離子和離子與離子之間的高精密動(dòng)量分布成像，結(jié)合光子吸收成像與熒光光譜探測(cè)以及泵浦/探測(cè)技術(shù)，形成具有時(shí)間和空間分辨的、電子離子光子多反應(yīng)產(chǎn)物探測(cè)的、多維度的探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)研究重金屬冷原子(Rb)的強(qiáng)場(chǎng)物理過(guò)程、冷里德堡原子及原子間相互作用以及冷等離子體的形成與演化等。
參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)
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