CN111595826A - 里德堡原子多体相图分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种里德堡原子多体相图分析系统及方法，其中，所述系统包括：探测光光源、参考光光源、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、控制光光源、第二半波片、第二偏振分束器、第二二向色镜及铷泡；其中，所述探测光光源用于发射探测光；所述参考光光源用于发射参考光，所述探测光和参考光依次经所述第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜传输至所述铷泡；所述控制光光源用于发射控制光，所述控制光依次经所述第二半波片、第二偏振分束器及第二二向色镜传输至所述铷泡。本发明结构简单，操作便捷，频率分辨率高。
Description
技术领域
本发明属于非平衡动力学技术领域，具体的涉及一种里德堡原子多体相图分析系统及方法。
背景技术
自然界中很多物理现象本质上是非平衡的，物态之间的转换可以用非平衡相变来描述。研究非平衡相变对于研究自然界中的物理现象，比如：经典物理中的自发磁化和晶体生长，以及激光，超导等具有重要的参考价值，而且对其他领域如地球科学、生物学以及经济学都具有一定的参考价值。里德堡原子具有大的电偶极矩，基于该系统可以实现多体相互作用，进而研究非平衡相变。因此，实现简单地、高灵敏度地探测非平衡过程以及由此产生的相变对于研究诸如迟滞或者有相互作用参与的自组织等物理现象非常有用。
然而现有里德堡原子多体相图分析系统及方法结构复杂，精度不高。因此，亟需提出一种结构简单、高精度的里德堡原子多体相图分析系统及方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种里德堡原子多体相图分析系统及方法，以至少部分解决以上所存在的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种里德堡原子多体相图分析系统，其特征在于，包括：探测光光源、参考光光源、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、控制光光源、第二半波片、第二偏振分束器、第二二向色镜及铷泡；其中，
所述探测光光源用于发射探测光；所述参考光光源用于发射参考光，所述探测光和参考光依次经所述第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜传输至所述铷泡；
所述控制光光源用于发射控制光，所述控制光依次经所述第二半波片、第二偏振分束器及第二二向色镜传输至所述铷泡。
在一些实施例中，所述探测光用于将所述铷泡中的铷原子从基态激发至中间态；所述控制光用于将所述铷泡中的铷原子从中间态激发至里德堡态。
在一些实施例中，所述探测光具有失谐ΔP；所述控制光具有失谐ΔC。
在一些实施例中，所述第一二向色镜和第二二向色镜均用于反射所述控制光及透射所述探测光和参考光。
在一些实施例中，经所述第二二向色镜反射的所述控制光与所述探测光重合且相向传输。
在一些实施例中，还包括：探测器，用于差分测量所述探测光与所述参考光，得到电磁诱导透明谱。
在一些实施例中，所述探测光与参考光平行同向传输，两者之间具有一间距。
根据本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的系统分析里德堡原子多体相图的方法，包括：
改变原子在各能级的分布；
通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图。
在一些实施例中，所述改变原子在各能级的分布并引入非平衡动态过程包括：改变控制光的失谐ΔC，控制光或探测光的拉比频率，从而改变原子在各能级的分布。
在一些实施例中，所述通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图包括：
对所述电磁诱导透明谱的透射率进行归一化处理并制作相图；
利用所述相图确定非平衡相变阈值的变化。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明里德堡原子多体相图分析系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明基于热原子系综电磁诱导透明研究里德堡原子相图系统及方法结构简单、操作便捷，无需增加额外装置及操作。
(2)相较于粒子数布局，本发明主要是基于里德堡原子的电磁诱导透明效应，将频率分辨率提高了两个量级，小于MHz。
(3)本发明可以观测相变临界点，并揭示出以前没有被观察到的在弱驱动光条件下双稳态光学响应和非平衡动力学中的谱特性。
附图说明
图1依据本发明实施例系统结构示意图。
图2依据本发明实施例能级结构示意图。
图3通过差分测量得到电磁诱导透明透射峰曲线图。
图4本发明实施例里德堡原子相变的相图。
<符号说明>
1-探测光光源、2-参考光光源、3，8-偏振分束器、4，7-半波片、5，9-二向色镜、6-控制光光源、10-铷泡、11，15-探测器、12，13-探测光、14-控制光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
相较于稀薄的原子气体，里德堡原子系综中的原子相互作用要强得多，高极化率使得系综中的偶极相互作用可以长达数微米。强的相互作用使得可以在室温条件下的原子系综中观察到非平衡相变的现象，由此大大简化了系统结构。基于传统的方法(粒子数布局)，探测基于里德堡原子非平衡相变的精度在百兆MHz的数量级。相较于粒子数布局，本发明主要是基于里德堡原子的电磁诱导透明效应，将频率分辨率提高了两个量级，小于MHz，可以测出完整的相变相图，同时观测临界点并揭示出以前没有被观察到的在弱驱动光条件下双稳态光学响应和非平衡动力学中的谱的特性。
本发明里德堡原子多体相图分析系统包括：探测光光源、参考光光源、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、控制光光源、第二半波片、第二偏振分束器、第二二向色镜及铷泡；其中，
所述探测光光源用于发射探测光；所述参考光光源用于发出参考光，所述探测光和参考光依次经所述第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜传输至所述铷泡；
所述控制光光源用于发射控制光，所述控制光依次经所述第二半波片、第二偏振分束器及第二二向色镜传输至所述铷泡；
本发明还提供了一种利用所述的系统分析里德堡原子多体相图的方法，包括：
改变原子在各能级的分布；
通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图。
进一步的，所述改变原子在各能级的分布并引入非平衡动态过程包括：改变控制光的失谐ΔC，控制光或探测光的拉比频率，从而改变原子在各能级的分布。
更进一步的，所述通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图包括：
对所述电磁诱导透明谱的透射率进行归一化处理并制作相图；
利用所述相图确定非平衡相变阈值的变化。
在一实施例中，如图1-2所示，所述非平衡相变阈值控制系统包括：探测光光源1、参考光光源2、偏振分束器3、半波片4、二向色镜5、控制光光源6、半波片7、偏振分束器8、二向色镜9、铷泡10、探测器11，15。
具体的，所述探测光光源1用于发射探测光12，所述参考光光源2用于发射参考光13，所述探测光12和探测光13依次经所述偏振分束器3、半波片4、二向色镜5传输至所述铷泡10。
所述控制光光源6用于发射控制光14，所述控制光依次经所述半波片7、偏振分束器8及二向色镜9传输至所述铷泡10。
所述探测器11，15用于差分测量所述探测光12与所述探测光13，得到电磁诱导透明谱。
所述二向色镜5和二向色镜9均用于反射所述控制光14及透射所述探测光12和探测光13。
具体的，请继续参照图1-2所示，探测光通过长度为5cm的铷泡，控制光与探测光重合且相向传输。铷泡的温度约为50℃，此时原子数密度约为1.5×1011cm-3，对应的平均原子间距约为1μm。探测光1/e2束腰半径约为500μm；控制光1/e2束腰半径约为200μm。参考光与探测光完全相同，且与探测光平行同向地经过铷泡，这两束光分别被两个探测器探测然后作差分。除了探测光以外，一束额外的控制光可以用来里德堡原子的数密度并可以在不改变探测光的条件下控制相变的阈值。它的频率和探测光相同，但强度不同。控制光与探测光在铷泡中间相交并且两者方向呈2°的交角。对于本发明所采用的梯形电磁诱导透明能级结构，|r＞态的衰减远小于|e＞态，如果探测光强远小于控制光强，则原子系综对于控制光在频域上ΔP+ΔC＝0附近有一个很小的窗口是透明的，此时在两探测器的差分信号中可以看到一个透射峰。
本发明中所涉及的三个能级与85Rb原子的能级有如下对应关系：基态|g＞＝|5S1/2，F＝3＞，短寿命激发态|e＞＝|5P1/2，F′＝2＞以及长寿命里德堡态|r＞＝|nD3/2＞。如图2中的能级图所示，探测光对应于|g＞和|e＞之间的跃迁，它的强度用拉比频率ΩP表征，它相较于共振位置的红失谐记作ΔP；控制光对应于|e＞和|r＞之间的跃迁，它的强度用拉比频率ΩC表征，它相较于共振位置的红失谐记作ΔC。此外，本发明记里德堡态的衰减率为Γr，里德堡原子的数密度为NR。原子间的相互作用和里德堡原子的平均距离有关，所以和NR有关，当NR小于阈值NR，C时，系统处于非相互作用相(NI-相)，当NR大于阈值时，系统处于相互作用相(I-相)。当系统处于I-相时，在没有其它外场的条件下，里德堡原子与其它基态原子或者里德堡原子或者离子间的电离碰撞或者里德堡原子间的偶极相互作用会给控制光的失谐带来改变，此时有效的控制光失谐变为ΔC→ΔC+Δ′(NR)，改变量Δ′与NR有关；里德堡原子间的偶极相互作用势能的动态平均或者在不同磁子能级间由于离子电场产生的斯塔克效应使得里德堡原子态展宽，此时其有效衰减率变为Γr→Γr+Γ′(NR)，改变量Γ′与NR有关。由于NR不仅仅决定于当前的参数，还决定于剩余的里德堡原子数量，因此它也取决于历史的参数和扫描速率。所以，Δ′和Γ′与扫描方向有关，导致了产生光学响应中的双稳态迟滞现象。
综上，通过观察电磁诱导透明产生的透射峰，可以观察到两个截然不同的相，NI-相光学响应不受影响，而I-相中则可以在透射峰上看到奇异的相变。
在本发明中，保持探测光共振ΔP＝0，通过改变以下参数来改变原子在各能级的布局并向系统引入非平衡动态过程从而研究非平衡相变：控制光的失谐ΔC，控制光或探测光的拉比频率。首先通过电磁诱导透明的透射峰线型观察光学双稳态现象来证明本发明的可行性。保持泵浦光的拉比频率不变(对于n＝47，ΩC/2π约为20MHz；对于n＝70，ΩC/2π约为10MHz)，而使ΔC在共振位置附近扫描。对于不同ΩP时得到的透射峰曲线如图3(通过差分测量得到电磁诱导透明透射峰曲线图，观察透射峰在不同参数现象下光学双稳态现象来观察相变)所示，浅色代表ΔP从负扫描到正(正向)而深色(反向)反之。图3中(a)到(d)分别是在ΩP/2π＝6.3MHz、6.7MHz、6.8MHz、7.4MHz和7.9MHz的情况下得到的。当ΩP/2π＝6.3MHz时(图3(a))，对于两个扫描方向透射峰线型完全相同而不存在双稳态现象，此时NR未达到阈值，系统处于NI-相。当ΩP/2π＝6.7MHz时，NR略有增加，可以在共振位置(ΔC＝0)左右观察到近乎对称的双稳态现象，在共振位置上可以看到透射峰的突变，说明系统此时已经从NI-相变为了I-相。此时，Δ′相较于ΔC和电磁诱导透明的线宽来说都很小。这一在弱ΩP条件下的现象和采用现有方法观察到的完全不同，在现有技术中，不仅需要更高的ΩP，而且由于大量原子在里德堡态布局造成了透射峰的频移(记作Δ*，定义见图3(e))，此外，I-相的对于探测光的透射率是要高于NI-相的。得益于电磁诱导透明的窄线宽，可以在这一新的区域以亚MHz的分辨率观察到相变。图3(b)中观察到的双稳态窗口的宽度小于0.5MHz，相较于前人的方法提高了两个数量级。随着ΩP的继续升高，图3(c)的图3(e)，投射峰变得不对称且峰值位置相较于共振位置的频移Δ*变大。当ΩP/2π＝6.8MHz时，仍然可以看到双稳态现象，然而对于正/反向扫描时，相变的位置出现在ΔC更低/高的位置，而在共振位置的相变消失。随着ΩP继续升高，Δ′变得和电磁诱导透明的线宽可以比拟，共振附近的双稳态特性完全消失，取而代之的是出现在电磁诱导透明窗口两边的双稳态窗口。此时，I-相的透过率要高于NI-相。当ΔC从正扫描到负时，双稳态窗口出现在ΔC＜0的位置上，因为此时扫描范围已经经过了共振位置，里德堡原子数量已经积累；同样的，当ΔC从负扫描到正的时候，双稳态窗口出现在ΔC＞0的位置上。ΔC＞0处的双稳态窗口更窄，因为Δ′为正代表控制光的进一步红失谐。综上所述，利用基于里德堡原子电磁诱导透明的方法可以在ΩP弱(Δ′小于电磁诱导透明线宽)和强(Δ′可以和电磁诱导透明线宽相比拟)观察到不同的双稳态现象，并将频率分辨率提高了两个量级。据此，可以利用此方法实验地得到里德堡原子的多体相图，见效果数据。
图4是利用本发明方法得到的里德堡原子发生相变的相图。为得到此相图，在不同ΩP(纵轴)的条件下以10Hz的频率在共振位置附近96MHz的范围内扫描ΔC(横轴)，并保持ΩC/2π＝13.8±0.5MHz。相位图的不同颜色显示了归一化之后方向扫描ΔC和正向扫描ΔC时探测光的透过率(见图例)。由于双稳态是NI-相和I-相同时占据一段频率的结果，所以对应的区域(图3(a)中的红蓝两条枝丫)是NI-相和I-相的边界。在枝丫内部是I-相而在枝丫外部是NI-相。通过相图，还可以在(ΔC/2π＝0，ΩP/2π＝5.9±0.2MHz)处观察到临界点。图3(a)和(b)展示了ΩP略微地低于和高于临界点的情况，图3与图4的区别来源于两次实验微小的温度差。正如图3(d)，(e)所示，ΔC＜0时的双稳态窗口要大于ΔC＞0时的，这可以通过比较两枝丫的粗细得出。当反向扫描时，ΔC＜0处出现双稳态窗口，当正向扫描时，ΔC＞0处出现双稳态窗口，这也与理论预测吻合。注意到在临界点的附近，透过率差的符号反号，这是因为此时Δ′小于电磁诱导透明的线宽。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种里德堡原子多体相图分析系统，其特征在于，包括：探测光光源、参考光光源、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、控制光光源、第二半波片、第二偏振分束器、第二二向色镜及铷泡；其中，
所述探测光光源用于发射探测光；所述参考光光源用于发射参考光，所述探测光和参考光依次经所述第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜传输至所述铷泡；
所述控制光光源用于发射控制光，所述控制光依次经所述第二半波片、第二偏振分束器及第二二向色镜传输至所述铷泡。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测光用于将所述铷泡中的铷原子从基态激发至中间态；所述控制光用于将所述铷泡中的铷原子从中间态激发至里德堡态。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述探测光具有失谐ΔP；所述控制光具有失谐ΔC。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一二向色镜和第二二向色镜均用于反射所述控制光及透射所述探测光和参考光。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，经所述第二二向色镜反射的所述控制光与所述探测光重合且相向传输。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：探测器，用于差分测量所述探测光与所述参考光，得到电磁诱导透明谱。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测光与参考光平行同向传输，两者之间具有一间距。
8.一种利用如权利要求1至7中任一项所述的系统分析里德堡原子多体相图的方法，其特征在于，包括：
改变原子在各能级的分布；
通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述改变原子在各能级的分布并引入非平衡动态过程包括：改变控制光的失谐ΔC，控制光或探测光的拉比频率，从而改变原子在各能级的分布。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过电磁诱导透明谱分析里德堡原子多体相图包括：
对所述电磁诱导透明谱的透射率进行归一化处理并制作相图；
利用所述相图确定非平衡相变阈值的变化。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113376445A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-10 | 合肥衡元量子技术有限公司 | 深度学习增强的里德堡原子多频率微波接收器及探测方法 |
| CN114172010A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头 |
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2019
- 2019-02-21 CN CN201910139788.7A patent/CN111595826A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN113376445A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-10 | 合肥衡元量子技术有限公司 | 深度学习增强的里德堡原子多频率微波接收器及探测方法 |
| CN113376445B (zh) * | 2021-06-08 | 2021-12-14 | 合肥衡元量子技术有限公司 | 深度学习增强的里德堡原子多频率微波接收器及探测方法 |
| CN114172010A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于中空光纤原子气室的小型化集成探头 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200828 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |