应用物理专业前沿小论文

实现光存储的关键——电磁感应透明（EIT）技术

辽宁大学

2015级

应用物理学

强子薇

151006132

【摘要】

自上世纪60年代激光发明以来，人们对光的性质的研究已经从经典光学拓展到非线性光学和量子光学等领域。由于激光的高度相干性和高强度等特点，光与物质的相互作用被广泛而渗入地研究。光与原子相互作用是量子信息科学的一个重要研究领域，自从频率与原子共振跃迁线匹配的激光器问世以后，这一领域的研究进展迅速。原子相干效应可以使原子共振跃迁频率附近的光学性质如吸收和折射（线性极化率）、非线性极化率等发生奇特的变化，产生电磁感应透明现象，即EIT(electromagneti-cally induced transparency )。1999年Harvard大学Hau 等人利用电磁感应透明（EIT）技术在450nK的超冷原子中实现了17m/s的极慢光速。基于EIT的慢光技术具有实现光存储的巨大潜力。

【关键词】

电磁感应（EIT）透明量子干涉慢光技术光存储

【正文】

一、慢光的产生

慢光原理：让我们来用相速度和群速度这两个概念来说明慢光的产生。一般而言，光在介质中的速度和介质折射率有关，而光的传播速度又可以分为单一频率光波传播的相速度都和许多频率成分组成的光波波包传播的群速度。相速度是指单色平面波在介质中其等相位面的传播速度。对于色散介质因不同频率的单色平面波将以不同的相速度在介质中传播。对由多个单色平面波构成的波包络，其传播速度用群速度。

从本质上说，控制群速度就是控制介质的色散特性，要想实现大的群速度改变，就得产生强色散曲线。而获得强色散曲线的其中一类方法便是在介质中通过控制光的吸收和增强来改变介质的色散特性。对普通介质来说，当光脉冲的能量不等于介质中原子的电子能级的能量差（即光是远离共振）时，发生“正常”色散。即在色散曲线中，折射率n随频率的增加而单调增加，这意味着折射率对频率的偏导大于零。因此，这种“正常”色散减小了群速度。[6]

由介质极化率的微观机理可知，在介质共振频率处存在大的折射率改变，可有效减慢光的传播速度，但与此同时，介质共振频率处存在强吸收，使得光波很难透过介质而被实验观察，因而在很长一段时间内对慢光的研究都停滞不前。

转机出现在上世纪80年代，人们意识到叠加的电子态被激发时介质的光学性质可以发生极大的变化。这种叠加态的激发涉及到量子光学中极其重要且影响深远的物理概念——量子干涉。由于量子干涉对介质的色散性质的改变，原本共振处的反常色散变为正常色散，这能引起介质折射率的加强及非线性效应的改变。介质色散改变的同时，其吸收特性也发生了变化。光可以透过高吸收的光密介质，不但没有损耗甚至出现放大，而且是无粒子数反转的放大。基于此的EIT 技术可以克服瓶颈，克服介质共振频率处的强吸收。

二、EIT技术的原理

电磁波本身是一种能量，感光材料一般都是混合物，其中的一种材料会吸收电磁波的能量，（原子吸收电磁能量会导致电子跃迁而改变化学性能），发生反应，由不透明变成透明，或者由透明变成不透明。这点和变色镜的道理是一样的，因为光也是一种电磁波，都是能量的形式存在的物质。最简单的变色镜原理：玻璃

（二氧化硅）中存在少量的碘化银。遇阳光吸收能量，碘化银不透明，镜片变色。隔绝阳光后分解，镜片又变回来了。

S.E.Harris等人于1990年提出了电磁感应透明技术（EIT），其原理是利用量子相干效应消除电磁波传播过程中介质的影响。EIT技术是利用量子相干效应消除电磁波在传输中受介质影响的一种技术，在实现强色散的同时得到高透射率，减小慢光过程中介质对光波的吸收。

电磁感应透明，一般是用两束光同时照射到原子介质（如大量原子组成的气体）：控制光（又称耦合光，即一束较强的相干光场[4]）和探测光（弱光），探测光用来探测介质对光场的吸收，当探测光频率满足共振条件时，线性极化率的虚部为零，也就是介质的吸收为零，这时介质对探测光是透明的。这种现象被称之为电磁感应透明。

当介质处在电磁感应透明状态时，其光学性质发生了很大的变化，尤其是在原子共振频率附近。介质折射率在共振频率附近随频率变化曲线斜率非常陡峭，表明此时介质具有强烈的色散效应。除了介质的线性极化率的特性发生很大变化之外，介质在共振频率附近还具有非常大的非线性极化率，基于以上性质，电磁感应透明效应可以有效地控制光的速度和光在介质中的传播，甚至实现光脉冲的停止，实现光存储。

EIT的许多重要性质都起源于在原本不透明的介质中，量子干涉产生的微妙性质。事实上，要获得理想的透明度，只有在确切的共振条件下，即当频率失谐为零时。当探测光有一定失谐时，EIT中的量子干涉变得较弱，从而导致截至有一定的吸收性，因此，出现在吸收谱中的透明窗是很窄的。同时，频率失谐道德最大幅度（“透明窗”）可以通过更强的耦合场来增宽，因为在这种情况下，干涉会变得更强。[6]

三、EIT效应使光存储成为可能

1999年，L.V.Haus等人首先利用EIT技术在450nK的超冷钠原子气体中将光速减慢到潮。M.M.Kah等人在热原子气体中也实现了EIT效应，得到的群速度约为90m/s。

2001年1月，Plays.Rev.Lett连续两期刊发了关于光速为零的文章，一篇是O.Kocharovaskaya等人报道了在热原子气体中利用EIT技术将光速减至零。他们证明通过电磁感应透明技术，以在相干驱动多普勒加宽原子介质中使光脉冲完全停下来，甚至使其群速度变为负值。其基本原理是利用折射率的空间色散性质，即n与波数k有关，进而使其对群速度的贡献是负的。

另一篇是关于D.F.Philip等人进一步增强基于EIT技术的慢光延迟性能的报道，文中报道了如何将光脉冲减速并将其约束在铷原子蒸气中。首先将光脉冲在空间压缩5个数量级，即将光脉冲群速度减为千米量级，然后通过控制光速的加入和撤出来控制信号光的挺和走，就是光的存储和释放。这项储存光的技术的关键是将光速减慢为零，致使光的相干激发能够嵌入铷蒸汽的塞曼（自旋）相干态中。这种储存光的方法的最大特点是不破坏原来光脉冲的特征，使信号脉冲的位相和量子态得以保存.[4]

2000年，M.Fleichauer等人提出了暗态极子理论来解释光脉冲在原子介质的传播过程，并且提出了一个全光学的光学信号存储方案：通过绝热的开关耦合光，就可以实现信号光与原子自旋极化之间的相互转变。存储在原子介质中的信