在堿金屬原子中保持自旋相干性是現(xiàn)代原子物理和量子技術(shù)的重要課題。無論是原子磁力計還是量子存儲器，其性能都取決于自旋極化能否在各種弛豫機(jī)制下長期維持。然而，熱蒸氣態(tài)堿金屬原子通常受到快速自旋弛豫的影響，主要來自原子間的碰撞、外部磁場的不均勻性以及與容器壁的相互作用。

傳統(tǒng)的解決方案是采用所謂的“自旋交換弛豫自由”技術(shù)，這種方法通過在極低磁場和高密度條件下運(yùn)行，來消除自旋交換導(dǎo)致的相干性喪失。然而，這些條件過于苛刻，極大限制了技術(shù)在實際中的靈活應(yīng)用。因此，發(fā)表在PRL的一篇論文提出的“光學(xué)保護(hù)”方法提供了一條新的思路，即通過引入失諧的激光場減弱自旋弛豫，從而在更為寬松的條件下延長堿金屬原子的相干壽命。

自旋弛豫的機(jī)制

堿金屬原子中的自旋弛豫源于多方面的因素。首先，在自旋交換碰撞過程中，盡管總電子自旋在碰撞中守恒，但原子可能在不同的超精細(xì)能級之間發(fā)生躍遷，而這些能級在外磁場下的拉莫爾進(jìn)動頻率并不一致。由于頻率不同，碰撞會導(dǎo)致整體相位迅速無序化，從而損害集體的相干性。

其次，原子與容器壁的頻繁碰撞也會使部分自旋極化喪失，即便采用防弛豫涂層，也無法完全消除這種影響。最后，實驗環(huán)境中磁場的不均勻性和噪聲則進(jìn)一步加劇了相位擴(kuò)散的速度。這些機(jī)制共同作用，使得熱蒸氣中的自旋壽命通常遠(yuǎn)短于量子傳感或量子信息處理所需的時間尺度。

光學(xué)保護(hù)的原理

光學(xué)保護(hù)的基本思想是利用一束遠(yuǎn)離共振的圓偏振激光束在原子能級中引入光致能級位移，從而修正超精細(xì)能級的能量結(jié)構(gòu)。在未加保護(hù)的情況下，不同超精細(xì)能級的進(jìn)動頻率彼此不同，因此原子在碰撞后跨越能級時會引入相位的不一致。

引入光場之后，每個超精細(xì)能級都會經(jīng)歷不同程度的光移位。當(dāng)激光的失諧量、功率和偏振被精確調(diào)節(jié)時，這些移位能夠使得兩個能級的有效進(jìn)動頻率趨于相同。此時，即使發(fā)生自旋交換碰撞，原子依舊保持一致的集體進(jìn)動，不再因頻率差異而產(chǎn)生去相干。換句話說，體系進(jìn)入了一個近似無退相的子空間。由于激光與共振頻率之間存在較大失諧，吸收和散射損耗被顯著抑制，而光致移位仍然足夠強(qiáng)大，可以發(fā)揮保護(hù)作用。

實驗驗證

這一思想已經(jīng)在銫蒸氣中得到了實驗上的驗證。研究者在涂有防弛豫材料、且不含緩沖氣體的蒸氣室中，施加弱靜磁場并引入遠(yuǎn)離共振的圓偏振激光。實驗結(jié)果表明，在光學(xué)保護(hù)的作用下，自旋退相率降低了一個數(shù)量級，極大延長了相干時間。

同時，體系的有效陀螺磁比不再隨自旋極化程度的變化而顯著波動，表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性。更為重要的是，光學(xué)保護(hù)不僅對抗了自旋交換碰撞帶來的弛豫，還減輕了壁碰撞導(dǎo)致的部分去極化。理論上，研究者提出的“超精細(xì)布洛赫模型”準(zhǔn)確解釋了這些現(xiàn)象，并且與實驗結(jié)果吻合良好。

方法的優(yōu)勢與局限

與傳統(tǒng)的自旋交換弛豫自由技術(shù)相比，光學(xué)保護(hù)的優(yōu)勢十分明顯。它不依賴于接近零的磁場，而能夠在有限磁場下保持良好的效果。這使其在更多的實驗條件中具有可行性。激光的頻率、功率和偏振提供了高度的可調(diào)性，因而能夠靈活地優(yōu)化保護(hù)效果。此外，這一機(jī)制同時抑制了自旋交換弛豫和壁弛豫，拓展了相干性的保持能力，也不僅限于銫原子，還可推廣至銣或鉀等其他堿金屬體系。

盡管如此，光學(xué)保護(hù)仍存在一些挑戰(zhàn)。為了獲得足夠大的光移位而又避免過多的光子散射，需要在激光失諧量和功率之間進(jìn)行權(quán)衡。實驗對激光頻率、功率、偏振以及磁場的穩(wěn)定性都有較高的要求，這無疑增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。在一些需要緊湊設(shè)計的設(shè)備中，引入額外光束也會帶來工程上的困難。

結(jié)論

光學(xué)保護(hù)為在熱堿金屬蒸氣中維持自旋相干性提供了一種全新的解決方案。通過遠(yuǎn)離共振的光場實現(xiàn)超精細(xì)能級進(jìn)動頻率的同步，它突破了自旋交換弛豫自由技術(shù)必須依賴近零磁場的限制，并在有限磁場下顯著延長了自旋壽命。實驗中觀察到的數(shù)量級提升和理論模型的高度一致性證明了這一方法的有效性。隨著應(yīng)用需求的擴(kuò)展，光學(xué)保護(hù)有望成為下一代量子傳感器和精密測量技術(shù)的重要支撐。