近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與上海交通大學(xué)等單位合作，在相干激發(fā)的氮?dú)怆x子中實(shí)現(xiàn)了“光子存留”效應(yīng)，驗(yàn)證了在大氣離子氣體中對(duì)光子進(jìn)行相干操控的可能性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science Bulletin(《科學(xué)通報(bào)》）上。

氮?dú)馐强諝庵泻�量最為豐富的氣體。最近的一系列科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)場電離產(chǎn)生的氮?dú)怆x子是一個(gè)潛在的研究量子相干效應(yīng)的新平臺(tái)。相對(duì)于堿金屬蒸汽、里德堡量子氣體、超冷原子等傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室氣體，氮?dú)怆x子由于其豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)、化學(xué)上的相對(duì)穩(wěn)定性以及安全性而被認(rèn)為是一個(gè)用以研究光與物質(zhì)相互作用以及光子相干操控特性的新穎量子光學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，由于空氣中氮分子的含量豐富，該量子光學(xué)研究平臺(tái)有望在不久的將來從實(shí)驗(yàn)室移動(dòng)到室外的大氣環(huán)境中，從而在大氣中實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的相干操控。

基于上述原因，上海光機(jī)所與上海交通大學(xué)等多個(gè)單位合作，驗(yàn)證了在相干激發(fā)的氮?dú)怆x子氣體中的光子存留效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，飛秒強(qiáng)激光場將氮?dú)怆婋x成氮分子離子之后，其所產(chǎn)生的量子相干性能將光子存留在離子氣體中。這些光子信息在以往的研究中無法被直接探測到。而在該項(xiàng)研究中，研究者提出了一種有效的存留光子讀取技術(shù)。通過延時(shí)注入的第二束中紅外激光脈沖與存留的光子共同作用，可以產(chǎn)生被探測器直接觀察到的紫外相干輻射，從而驗(yàn)證了在氮?dú)怆x子中的相干光子存留效應(yīng)。在氮?dú)膺@種大氣氣體中驗(yàn)證光子存留效應(yīng)，不僅證實(shí)了氮?dú)怆x子是一個(gè)優(yōu)秀的量子光學(xué)研究平臺(tái)，而且也指明了將來在室外大氣中通過豐富的氮?dú)馊��?shí)現(xiàn)光信息處理以及室溫下相干光信息存儲(chǔ)的可能性。

圖1.在相干激發(fā)的氮?dú)怆x子中實(shí)現(xiàn)“光子存留”效應(yīng)的基本原理。

圖2.在相干激發(fā)的氮?dú)怆x子中通過存留光子產(chǎn)生的紫外相干輻射。實(shí)驗(yàn)測量的紫外輻射的（a）光譜與（b）時(shí)間演化動(dòng)力學(xué)；（c）在不同的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)布居情況下，理論計(jì)算的紫外輻射強(qiáng)度隨延時(shí)的變化。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、上海市自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B專項(xiàng)、中科院青促會(huì)等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.001