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2026

纳米光纤-光子阱，表面力 | Nature Photonics

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将中性原子束缚与纳米光子波导中的传输光进行高效耦合（是近年来量子光学与量子信息领域的重要研究方向），可以产生长程光子介导的原子-原子相互作用（在腔量子电动力学、波导量子电动力学、量子信息处理、非经典光态产生以及量子网络构建等方面具有广阔的应用前景。目前实验方案是利用双色偶极阱，在纳米光纤倏逝场中束缚原子：红失谐激光提供吸引力将原子拉向波导表面，蓝失谐激光提供排斥力防止原子碰撞表面，从而在距离表面约几百纳米处形成稳定的束缚位置）

近日，德国柏林洪堡大学Riccardo Pennetta，Arno Rauschenbeutel等在Nature Photonics上发文，在纳米光纤冷原子界面实验平台上，首次实验实现了一种混合纳米光子阱，将表面力作为原子束缚的吸引力来源，结合蓝失谐倏逝场提供的排斥力，成功束缚住激光冷却的铯原子。

实验证实，该混合光阱的吸引力来源于Casimir-Polder相互作用与纳米光纤表面电荷所产生静电力的叠加，阱深约为1微开尔文，势阱最低点距离光纤表面约650纳米。尽管势阱深度极浅，通过绝热转移方案，实现了从传统双色偶极阱高达96%的装载效率，并测得原子存储时间达140毫秒，Ramsey相干时间与自旋回波相干时间分别达到17.8毫秒与44.7毫秒，这较传统纳米光子阱提升了一个数量级以上，为中性原子量子技术开辟了新的发展路径。

Hybrid nanophotonic trap for cold atoms using surface forces and a blue-detuned evanescent field. 利用表面力和蓝失谐倏逝场的混合纳米光子冷原子阱。

图1：用于激光冷却原子的标准与混合纳米光纤阱。在靠近光纤表面约650纳米处，原子会感受到两种吸引力：一是由量子真空涨落引起的卡西米尔-波尔德力，二是光纤表面携带的静电荷产生的库仑吸引力。保留了一束蓝失谐的排斥光来平衡吸引力，形成一个仅有约1微开尔文深的极浅势阱（图1b）。采用了一种绝热转移策略：先用标准双色光阱在近表面（280纳米）处束缚原子，然后缓慢关闭红失谐的吸引光，让原子在完全不知情的情况下“滑入”远处的混合阱（图2b）。转移效率高达96%，且转移后原子温度降至约250 nK。