成大研發快訊 - 文摘【第八卷第二期】

二十世紀初期物理學家發展出一套完整的力學—量子力學，在量子力學中，物理的特性是由波函數或狀態組成，再由對應的機率或期望值來說明其表現或量測的結果。利用量子力學來描述物質微觀的基本粒子、原子或分子的交互作用，科學家可以完整的了解所有物質基本組成的特性，乃至於自然界的所有現象。到目前為止，科學家還沒發現和量子力學違背的實驗結果。

如何更精確的探討一個微觀系統的量子特性一直是科學家有興趣的課題，而雷射具有超高精準的能量(單色光)和同調(維持一定的相位)的特性，所以雷射光譜一直是探測量子現象的重要工具之一。例如氫原子光譜(

)開啟了 Bohr 的原子軌道模型；但是進一步的電子軌道角動量與自旋的交互作用、躍遷機率，選擇定則等，則需要利用量子力學的 Schrödinger 的波函數可以進一步解釋；但當原子光譜可以測量出 Lamb shift 時(氫原子中 2S_1/2, 2P_1/2 的能階分裂)，則更進一步促使量子電動力學(Quantum Electrodynamics, QED) 的發展。二十一世紀的今天，我們更希望藉由光子與原子分子或物質的作用，不僅來探討自然界的量子特性，而且能進一步的成為有用的(於日常生活中)技術，其中最新的科技發展是利用量子的干涉特性來製造量子計算、量子傳輸與量子糾纏，雖然離技術成熟還有一段距離，但卻給科學家帶來更多的挑戰。利用原子的簡單量子態與光子作用來探討量子干涉效應就像用雙狹縫光柵來研究光的波動性一樣，可以清晰明白的表達要探討的現象。然而在原子-光子的系統中，利用綴飾態原子來描述，可以簡化問題，讓我們能更直接的表達問題的核心，例如 Autler-Townes 分裂現象、電磁誘導透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)等。

本論文中，我們利用雙綴飾原子能階來描述雙光子三能階系統階梯式電磁誘導透明的現象，其中電磁誘導透明的分裂大小與我們理論預測相符，當我們加入 Doppler 速度的效應，可以觀測到對稱中心的位移，同時量子效應也有效的壓抑了 Doppler 的增寬。我們是觀測階梯式電磁誘導透明同時結合Mollow光譜，利用銫原子的三能階系統(如圖一)和兩道雷射光來耦合上下兩組能階。其中幫浦光以Ω_p的 Rabi 頻率來驅動 |1>到 |2> 躍遷；耦合光以Ω_p的 Rabi 頻率來驅動 |2>到 |3> 躍遷，而Δ_p, Δ_c 是各自的躍遷頻率差，Γ₂, Γ₃ 是能階 |2> 跟 |3> 的衰變速率。實驗上是將幫浦光保持在弱光的條件下，如此就可以有效的用穩定態的解來描述系統的干涉結果。圖二是我們的實驗架構圖，兩束雷射在相對的方向引進一個10公分長的室溫銫原子室中，幫浦光是由二極體雷射(Sacher TEC100, 100 mW)引出，耦合光是由單頻可調環形Ti:Sapp寶石雷射(Coherent Autoscan 899-29)提供，兩者都是垂直的線性偏振光。當我們改變耦合光的頻率時，幫浦光(固定頻率)的穿透經由PD1紀錄於電腦中，另外有一組校正頻率(圖二中的Cal)經由PD2做同時紀錄。圖三是分裂的階梯式電磁誘導透明隨著耦合光的遠離共振頻率(Δ_p)的位移。這樣的實驗結果，我們可以準確的用雙綴飾態的原子能階觀念(參考圖四)來分析。在綴飾態中，原子能階與光子數結合以 |1,N> (此處以原子能階 |1> 加上光子數N)來表示，經由耦合後，雙綴飾態能階為 |a(N)>, |b(N)>, |a(N-1)>, |b(N-1)>，這樣我們就可以解出穩定態的解，求階梯式電磁誘導透明的分裂間距與遠離共振頻率(Δ_p)位移的關係為

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圖二、實驗架構圖。

圖一、實驗中利用銫原子的三能階系統。

圖四、雙綴飾態的原子能階圖。
　

圖三、分裂的階梯式電磁誘導透明隨著耦合光的遠離共振頻率(Δ_p)的位移。

我們利用精密的雷射光譜探討弱光場近似下原子中的量子干射現象，並有效的利用原子雙綴飾態的表達方式，求出密度矩陣的穩定解來闡明量子干涉結果。量子干射現象是量子傳輸與量子計算的根本問題，以原子和光子的作用研究量子干射是研究量子電腦的基石。