高激发态原子间的范德瓦尔斯相互作用

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.13(2014)133201∗高激发态原子间的范德瓦尔斯相互作用赵健东y辛洁(中北大学信息与通信工程学院,太原030051)(2013年10月15日收到;2014年3月20日收到修改稿)与基态原子相比,高激发态原子(主量子数n>15)具有很强的长程范德瓦尔斯(VanderWaals)相互作用,这种强相互作用可以阻止相邻原子的进一步激发,产生激发阻塞效应.本文从理论上利用微扰方法计算碱金属原子Rb和Cs激发态nS,nD原子对态的相互作用,获得原子相互作用的色散系数并分析了原子间的长程相互作用特性.结果

2、表明,Rb和Cs原子的nS态表现为排斥相互作用,而nD态原子L=0时,Rb原子表现为吸引作用,Cs原子表现为排斥作用.关键词:高激发态原子,长程相互作用,微扰PACS:32.80.Ee,34.90.+qDOI:10.7498/aps.63.133201冷原子样品中观察到高激发态原子的相互作用引1引言起的能级移动和由此产生的效应.当相互作用导致的能级的移动大于激发激光的线宽时,相邻原子的随着激光技术的发展人们可以利用连续可调激发由于原子能级和激发光频率的失谐而受到抑谐的激光制备所需的高激发态原子.与基态原子相制,这种现象叫阻塞效应.这种效应可以用于单原比

3、,高激发态原子具有较大的原子半径和电偶极矩子[3,4]的制备和量子逻辑门的控制[5]以及单光子以及很强的长程相互作用[1].而借助于中性原子的源的产生[6,7],从而引起人们的广泛关注.激光冷却和俘获技术,可以获得温度约百微开量级在冷原子系统中,人们将原子激发到主量子数的超冷原子和激发态原子,这时高激发态原子间的n>40的高激发态,研究了激发态原子的长程相互长程相互作用远大于原子的热运动动能,高激发态作用的动力学效应和相互作用导致的激发态原子原子间的相互作用将决定激发态原子的行为和动的电离[810],并观察到超冷高激发原子的电离过力学过程[2].程.

4、在2004年,首次在实验上观察到由于长程Van任何相互作用都会产生能级移动和谱线的加derWaals相互作用而产生的局部的激发阻塞效宽,高激发态原子间的强相互作用将使其相邻原子应[11,12]以及由电场调节的共振偶极相互作用[13].的能级发生移动.早期的研究主要通过观察高激发本文利用微扰理论数值计算高激发态原子的态原子荧光光谱的展宽现象来研究原子间的相互长程VanderWaals相互作用,以主量子数n=20,作用,然而由于原子的热运动动能远大于原子间的40的Rb,Cs原子为研究对象,计算了20SS和40D-相互作用,高激发态原子的相互作用引起的能级移

5、D原子对态L=0时的相互作用能,计算结果表明:动和谱线展宽淹没在热运动中.近年来的研究表Rb和Cs原子的SS对态的相互作用都表现为排斥明,激发超冷原子获得的超冷高激发态原子,其相势,nD对态原子在L=0时的相互作用,Rb原子互作用能远大于原子的热运动动能,人们可以在超表现为吸引势,而Cs原子则表现为排斥势.中北大学2012年重点实验室青年基金资助的课题.†通讯作者.E-mail:zhaojiandong@nuc.edu.cn©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn133201-

6、1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.13(2014)133201C6C8C10V(R)=−−−,(nS−nS).(7)R6R8R102相互作用能的计算模型文献[14]给出了具体的计算C系数的方法和结果,这里做简要说明,方程(6)和(7)式中的第一项由能考虑两个核间距为R的双原子系统,如图1所级的一级修正给出,后两项由能级的二级修正给示,其中Zi和ei分别表示两个原子的原子核和相出,即∆E(1)=−C/R5,∆E(1)6,一级应的激发态电子,该原子系统的Hamiltonian量表DD5ss=−C6/R修正的C系数可由方程(4)求出,而

7、二级修正的C示为系数由方程(5)给出.H=H0+V(r1,r2),(1)e2e1式中,H0表示不考虑原子间相互作用的Hamil-tonian量,V(r1,r2)表示高激发态原子间的相r1r2互作用能,当原子间距R大于LeRoy半径RLR(R=2(⟨nl

8、r2

9、nl⟩1/2+⟨nl

10、r2

11、nl⟩1/2))时,Z1RZ2LR11112222两原子的电子波函数没有相互交叠,其相互作用能图1双原子系统示意图表示为[14]∑1C∑1V(r,r)nlL123结果和分析V(r1,r2)=−=,(2)RnRl+L+1n=1l,L=13.1SS态其中,Cn为色散系数,我

12、们可以通过微扰理论求出系数C,从而获得高激发态原子的相互作用势能的对于SS态,角量子数l1=l