原子的Hong-Ou-Mandel实验

在物理研究中，常常有两种方法，一种是“向下看”，一种是“向上看”。统计物理中对很多粒子进行统计规律的研究，可以说是一种“向下看”方法。而从一个原子开始，然后研究两个，多个…则是一种“向上看”的方法。最近一期Science上，CindyRegal小组发布的两个原子干涉实验（Science345 306 （2014））应该算是“向上看”的一种方法。

实验中，利用聚焦极小的光势阱，从MOT中抓取一个原子。由于光势阱很小，很强。原子之间相互作用阻止了两个原子同处一个势阱的情况。这个方法很早前就被发明了。但是Regal小组利用Raman边带冷却，将原子冷却的基态。为了研究两个原子情况，他们用AOM产生了两个势阱。实验示意图如下。由于原子是Bose子，且处于两个相同的量子态，因此他们是不可区分的，他们之间的规律满足量子力学原理。

图1：实验示意图。利用一个高分辨成像系统，可以将光束聚焦到非常小的光斑（710nm）。为了产生双势阱，跳转AOM的频率，这样聚焦就在不同位置。还可以通过调整AOM频率来调节两个势阱的相对距离。

实验结果如下，在双势阱中，当只有一个原子时，改变两个势阱的距离，两个原来分立的势阱开始合并，他们之间就有一个隧穿速率。如图A所示。这时候去测量原子在某个势阱位置的几率，就会是一个Rabi震荡过程，如图B所示。震荡频率由隧穿速率决定。但是如果两个势阱中分别有一个原子，同样改变势阱让他们隧穿，每个原子将有上面所说单原子过程，但是由于这个过程是相干过程，他们之间会发生干涉。在1/4个周期时间点，原子或者两个都在左边，或者两个都在右边。图D上显示了这样的理论计算（黑线）。图E是实验测量结果。紫色线是可区分原子时的情况。可以看到，虽然实验由于不完美，实验结果没有达到100%的相消干涉，但是比可区分原子情况要小很多。

图2：单原子隧穿实验和双原子干涉实验。

图3：双原子干涉示意图。初态原子处于两个势阱中。经过1/4周期，原子处于两个势阱中的几率幅刚好相消。

一个、两个原子的实验，非常干净，可以用理论很好的描述。未来他们将会增加更多的原子，比如四个。当然，这对技术的要求就更高了。当原子数多起立，另一个竞争就出现了。人们已经可以很好的将原子装载到光晶格中，然后做到单晶格分辨成像。技术的发展，让单晶格分辨也更容易了，比如Raman边带冷却成像的出现。在很多原子情况下，光晶格是一个非常好的研究系统。这种“向上看”的方法，如何跟光晶格系统竞争呢？期待更多新的结果。