室温极化激元凝聚体：一维人工晶格探究

当原子德布罗意波长与原子间距离在同一量级时，理想气体玻色子凝聚在能量最低的基态上，发生BEC。一般来说，原子气体不仅温度必须降到临界温度之下，而且密度必须达到一定的大小，双管齐下才能使得原子的德布罗意波长与平均间距相比拟，从而产生量子效应。而单单依靠激光冷却并不能同时达到这两个条件，实验中必须结合蒸发冷却等方法才能产生BEC。实验上制备BEC的一般过程是：（1）在室温下用磁光阱捕获实验原子团；（2）用激光冷却技术把捕获的原子团冷却到几十至几百微开数量级；（3）装载冷原子团到静磁阱中，用蒸发冷却方法进一步把原子团冷却至100 nK数量级，达到BEC转变温度。在冷却过程中，一般还会采用绝热压缩技术来提高原子气体密度。当温度足够低，同时原子气体密度足够高时，就会发生BEC。

光晶格本质上是一种人造的光晶体，它是由相长干涉而形成的成百上千的周期性稳定光学势阱组成的。这些光学势阱能够囚禁原子，并把原子排列成有序的晶体结构。光晶格中冷原子间距可以达到微米级，这使得光晶格系统中原子间相互作用的影响很微弱，我们可以用精确易处理的理论模型研究。而且光晶格中冷原子的性质与固体晶格中的电子性质非常相似，因此光晶格中的冷原子可以用来模拟复杂的晶体模型。我们可以对光晶格的周期性势场进行准确的数学建模，从而通过高品质激光束在实验室中产生所需要的无缺陷的光晶格。另外，光晶格的周期、势深等参量还可以通过调节激光的强度、偏振度和频率等来进行准确控制。如此多的优势使得光晶格成为模拟多体系的重要平台，可为解决多体系的众多难题提供有力的帮助。

在过去十几年的进展中，研究者发现，可以引入光子晶体的概念。将它与激子极化激元的光学微腔结合起来。例如做成一个类苯环的分子，用这种紧束缚的模型可很好地解释色散关系，势场关系在1 meV以内，然而这必须在5～10 K的低温条件下实现。(www.xing528.com)

我们的工作出发点就是设计一个最简单的一维激子极化激元“单原子链”模型。我们制作了10根直径为1μm的柱子，间距为1.2μm，使局域势场可达430 meV。通过实验测量发现，带隙达到13.3 meV，是GaAs等半导体的10倍。观察期空间波函数的分布，S态被囚禁在微米柱中，且为各向同性的。用飞秒光泵浦，阈值内的色散呈连续的分布，阈值以上则只会分布在两个点上，对应的就是矢空间的Py态，即是被系统选的增益最大的态。其凝聚的模式可以由失谐项来控制。相干性也通过迈克尔逊干涉实验得到证明。