里德堡原子（Rydberg atom）的自旋交换作用

由于冷原子技术的发展，里德堡（Rydberg）原子现在又成为了研究的热门方向。通过激发已经冷却的原子气体，可以获得可控，纯净的里德堡原子样品。一般来说，人们用电离Rydberg原子的方法来探测它。而在一般冷原子实验中，大家是用吸收法探测原子。我曾经也想过，怎样能用吸收法来探测Rydberg原子呢？由于Rydberg block效应，样品中Rydberg原子的数目很少，光学厚度太小，所以一般吸收法是很难探测的。不过后来才知道，其实已经有人提出了用吸收法来探测Rydberg原子，利用了Rydberg原子的block效应和电磁感应透明（EIT）效应，具有空间分辨率，构想很巧妙。（Weidemuller小组PRL 108，013102（2012））

上图是这种EIT-Rydberg探测的原理示意图。用一束耦合光耦合|e> 和|r>两个能级，再利用一束探测光来探测|g>和|e>。耦合光和探测光的频率满足EIT条件，双光子失谐为零，这时候吸收是减弱的。但是，如果在这个原子样品中，有一个Rydberg原子存在，会导致|r>能级移动，这样就不满足双光子共振的EIT条件了。这样探测光的吸收就会增强。对比Rydberg原子存在和不存在两种情况下的吸收，就可以知道Rydberg原子的信息了。同时吸收法可以做到很好的空间分辨，所以可以用来探测Rydberg原子的空间信息。

有了这个方法后，他们进一步做了一个漂亮的工作（Science 342 954 （2013））。观测到Rydberg原子在自旋交换作用下的Spin diffusion。实验示意图如下。

在冷原子气体中，激发一部分原子（空间上），使得它激发到Rydberg态|i>上，马上进行打开EIT光。这时你可以认为Rydberg原子|i>周围是另外一个Rydberg态|p>。由于Rydberg原子间的dipole-dipole相互作用，会让|i>和|p>态之间自旋交换。

|i>|p> --- |p>|i>

这个过程原子间能量相互交换，但是总能量守恒。这个过程有个名称叫Forster共振。

由于这个自旋交换作用的存在，中间部分激发的|i>态将会扩散到原子团的其他部分。而由于EIT—Rydberg探测方案具有空间分辨率，所以可以观测到这种效应。下面就是一个实验结果图。左边是EIT光脉冲开启不同时间，可以看到中间的|i>态原子扩散开来。作为对照，固定EIT光脉冲时间，但是开启在不同的时刻，可以看到基本没有扩散。这是因为EIT脉冲没开启时，|p>态不存在，没有自旋交换作用，所以改变delay time不会造成额外的spin diffusion。