近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)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(xué)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(yīng)，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(xué)通報》）上。

　　氮氣是空氣中含量豐富的氣體。近期的一系列科學(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)平臺。

　　同時，由于空氣中氮分子的含量豐富，該量子光學(xué)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(xué)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(yīng)。

　　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(yīng)。

　　在氮氣這種大氣氣體中驗證光子存留效應(yīng)，不僅證實了氮氣離子是一個優(yōu)秀的量子光學(xué)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(xué)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(xué)術(shù)帶頭人、上海市自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)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(yīng)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(xué)；（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。