近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與上海交通大學等單位合作，在相干激發(fā)的氮氣離子中實現(xiàn)了“光子存留”效應，驗證了在大氣離子氣體中對光子進行相干操控的可能性。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science Bulletin（《科學通報》）上。

　　氮氣是空氣中含量豐富的氣體。近期的一系列科學研究發(fā)現(xiàn)，強場電離產(chǎn)生的氮氣離子是一個潛在的研究量子相干效應的新平臺。

　　相對于堿金屬蒸汽、里德堡量子氣體、超冷原子等傳統(tǒng)的實驗室氣體，氮氣離子由于其豐富的能級結(jié)構(gòu)、化學上的相對穩(wěn)定性以及安全性而被認為是一個用以研究光與物質(zhì)相互作用以及光子相干操控特性的新穎量子光學平臺。

　　同時，由于空氣中氮分子的含量豐富，該量子光學研究平臺有望在不久的將來從實驗室移動到室外的大氣環(huán)境中，從而在大氣中實現(xiàn)對光子的相干操控。

　　基于上述原因，上海光機所與上海交通大學等多個單位合作，驗證了在相干激發(fā)的氮氣離子氣體中的光子存留效應。

　　研究發(fā)現(xiàn)，飛秒強激光場將氮氣電離成氮分子離子之后，其所產(chǎn)生的量子相干性能將光子存留在離子氣體中。

　　這些光子信息在以往的研究中無法被直接探測到。而在該項研究中，研究者提出了一種有效的存留光子讀取技術(shù)。

　　通過延時注入的第二束中紅外激光脈沖與存留的光子共同作用，可以產(chǎn)生被探測器直接觀察到的紫外相干輻射，從而驗證了在氮氣離子中的相干光子存留效應。

　　在氮氣這種大氣氣體中驗證光子存留效應，不僅證實了氮氣離子是一個優(yōu)秀的量子光學研究平臺，而且也指明了將來在室外大氣中通過豐富的氮氣去實現(xiàn)光信息處理以及室溫下相干光信息存儲的可能性。

　　相關(guān)工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市市級科技重大專項、上海市優(yōu)秀學術(shù)帶頭人、上海市自然科學基金、中科院先導B專項、中科院青促會等項目的支持。

　　圖1 在相干激發(fā)的氮氣離子中實現(xiàn)“光子存留”效應的基本原理。

　　圖2 在相干激發(fā)的氮氣離子中通過存留光子產(chǎn)生的紫外相干輻射。實驗測量的紫外輻射的（a）光譜與（b）時間演化動力學；（c）在不同的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)布居情況下，理論計算的紫外輻射強度隨延時的變化。