电子和BEC的相互作用

     Rydberg原子一直是原子物理研究的热门课题。Bohr的原子模型关键实验证据就是Rydberg原子光谱。在冷原子出现后，Rydberg原子和冷原子结合是热门研究课题，一方面，原子的参数可以很好地控制，可以精确地控制Rydberg态的激发，另一方面，冷原子提供更精密的测量，可以探测探测很多较弱的Rydberg态相互作用。不过欧洲拥有如此多冷Rydberg原子研究小组还是令人惊讶。一个法国朋友解释说，因为欧洲有研究Rydberg原子的传统，有些人以研究Rydberg原子著称，后来他们的很多学生找到科研岗位，自然而然就结合了Rydberg原子和冷原子。我喜欢这种简单粗暴的解释。

   冷Rydberg原子研究中，最著名的要算Rydberg原子之间的偶极限制效应（dipole-block effect）。当一个Rydberg原子被激发后，附近的原子受到这个Rydberg原子作用，激发到同样的Rydberg态能级会移动，当这个移动大于激发激光的Rabi频率时，就不在激发，因此抑制了其他Rydberg态的激发。这个效应在Pfau小组的BEC实验中，Saffman小组的双势阱中，Grangier小组的两个单原子等许多实验中被观察到了。还有很多小组希望用dipole blockade来进行量子信息研究。相对而言，Pfau小组关于Rydberg原子的少体（few-body）的研究别具特色，最近几年，他们发表了很多Rydberg原子的文章，独具一格。比如Rydberg态形成长程作用的分子，Rydberg分子的永久电偶极矩，还有下面（Nature502 664（2013））的电子和BEC的相互作用。

图1：高激发的Rydberg原子，一个电子处于近弱束缚态，和中性原子（BEC）相互作用。

      如图所示，选择实验参数，由于dipole block效应，只激发一个Rydberg原子。被激发的电子处于弱束缚态，在BEC中和中性原子有相互作用。而这个相互作用的强度和带点粒子额质量成反比，因此带正电的Rydberg核部分和中性原子的相互作用可以忽略。因此整个物理图像就是一个电子和BEC的相互作用。而电子和中性原子的相互作用可以用Fermi的赝势描写，原子相当于受到一个平均势

。

其中波函数是Rydberg电子的波函数。由于这个平均势的存在，原子激发到Rydberg态的能级就会移动。通过选择激发到不同的Rydberg态，可以改变这个波函数，从而改变相互作用强度，从而改变激发的能级移动。

    实验过程容易理解。通过选择不同的激光频率，将原子激发到不同的Rydberg态。激发后的电子和原子相互作用，会加热原子。最后放开势阱，让原子自由飞行，只测量BEC部分原子数，计算由于加热导致的损失。实验结果如图所示，扫描激发频率，探测原子损失谱。

图2：激发到不同的Rydberg态的原子损失谱。

    由于电子和原子相互作用的平均场的存在，激发频率会有移动，这个移动就是电子和原子相互作用强度决定的。下图总结了激发频移和激发态之间的关系。同时，当将电子激发到更高的能态，平均作用的强度变小了，但是电子的波函数范围更大，总的效应是作用变强，导致更多的原子被加热，导致更多的原子损失。这在图2中有很好体现。当然，文章中对这些进行了仔细的定量分析。

图3：实验结果总结。