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)激光場是探索特殊環(huán)境中奇異量子現(xiàn)象以及對量子規(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技術(shù)，具有對粒子動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)，利用動量成像技術(shù)，可開展銣冷原子的強(qiáng)場物理過程研究。近年來，采用類似的技術(shù)路線，國際上已經(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，成功研制了國內(nèi)套銣原子磁光阱反沖離子動量譜儀(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量譜儀

　　利用中心波長為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)果對比如圖2所示。從圖中可看出，通過冷卻后Rb原子可實(shí)現(xiàn)更加精密的測量。兩種測量半高寬的結(jié)果對比顯示，冷卻后飛行時(shí)間質(zhì)譜的測量精密至少提高了14倍。與相近質(zhì)量的氣體靶相比，測量精密提高了大約3倍。

　　圖2 熱蒸氣靶和3D MOT靶的動量譜。虛線(紅色)為熱蒸氣靶的Rb+的動量分布，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)，通過探測冷原子電子和離子動量分布，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、不同波長的激光與Rb原子的相互作用。

　　Rb+離子的二維動量分布圖，以及在x、z方向上的動量分布投影圖，如圖3所示。在線偏光極化方向上動量分布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)場相互作用后的Rb+動量分布。(a)x、z方向的動量分布;(b)線性坐標(biāo)下z方向的動量分布;(c)log坐標(biāo)下z方向的動量分布

　　在接下來的研究中，課題組將在MOTRIMS中加入電子測量，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量分布成像，結(jié)合光子吸收成像與熒光光譜探測以及泵浦/探測技術(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)物探測的、多維度的探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺，重點(diǎn)研究重金屬冷原子(Rb)的強(qiáng)場物理過程、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)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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