上海光机所在强场量子光学研究中取得重要进展

      近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与上海交通大学等单位合作，在相干激发的氮气离子中实现了“光子存留”效应，验证了在大气离子气体中对光子进行相干操控的可能性。相关结果发表在Science Bulletin(《科学通报》）上。

　　氮气是空气中含量最为丰富的气体。最近的一系列科学研究发现，强场电离产生的氮气离子是一个潜在的研究量子相干效应的新平台。相对于碱金属蒸汽、里德堡量子气体、超冷原子等传统的实验室气体，氮气离子由于其丰富的能级结构、化学上的相对稳定性以及安全性而被认为是一个用以研究光与物质相互作用以及光子相干操控特性的新颖量子光学平台。同时，由于空气中氮分子的含量丰富，该量子光学研究平台有望在不久的将来从实验室移动到室外的大气环境中，从而在大气中实现对光子的相干操控。

　　基于上述原因，上海光机所与上海交通大学等多个单位合作，验证了在相干激发的氮气离子气体中的光子存留效应。研究发现，飞秒强激光场将氮气电离成氮分子离子之后，其所产生的量子相干性能将光子存留在离子气体中。这些光子信息在以往的研究中无法被直接探测到。而在该项研究中，研究者提出了一种有效的存留光子读取技术。通过延时注入的第二束中红外激光脉冲与存留的光子共同作用，可以产生被探测器直接观察到的紫外相干辐射，从而验证了在氮气离子中的相干光子存留效应。在氮气这种大气气体中验证光子存留效应，不仅证实了氮气离子是一个优秀的量子光学研究平台，而且也指明了将来在室外大气中通过丰富的氮气去实现光信息处理以及室温下相干光信息存储的可能性。

　　相关工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市市级科技重大专项、上海市优秀学术带头人、上海市自然科学基金、中科院先导B专项、中科院青促会等项目的支持。

图1 在相干激发的氮气离子中实现“光子存留”效应的基本原理。

图2 在相干激发的氮气离子中通过存留光子产生的紫外相干辐射。实验测量的紫外辐射的（a）光谱与（b）时间演化动力学；（c）在不同的激发态粒子数布居情况下，理论计算的紫外辐射强度随延时的变化。