氮气离子作为一个新颖的量子物理效应的研究平台，目前得到了包括量子光学、超快光学、强场物理等多个领域的广泛关注。近期，上海光机所与上海交通大学、国防科技大学、北京大学以及德克萨斯农工大学合作，在相干激发的氮气离子中实现了“光子存留”效应，验证了在大气离子气体中对光子进行相干操控的可能性。该工作发表在Science Bulletin 2021年第15期。
氮气是空气中含量最为丰富的气体。最近的一系列科学研究发现，氮气可以被超快激光脉冲电离，而所形成的氮气离子被认为是一个潜在的研究量子相干效应的新平台。相对于碱金属蒸汽、里德堡量子气体、超冷原子等传统的实验室气体，氮气离子由于其丰富的能级结构、化学上的相对稳定性以及安全性而被认为是一个用以研究光与物质相互作用以及光子相干操控特性的新颖量子光学平台。同时，由于空气中氮分子的含量丰富，该量子光学研究平台有望在不久的将来从实验室移动到室外的大气环境中，从而在大气中实现对光子的相干操控。基于上述原因，上海光机所与上海交通大学等单位合作，验证了在相干激发的氮气离子气体中的光子存留效应。研究发现，飞秒强激光将氮气电离成氮分子离子之后，其所产生的量子相干性能将光子存留在离子气体中。这些光子信息在以往的研究中无法被直接探测到。而在该项研究中，提出了一种有效的存留光子读取技术。如图1所示，研究者通过延时注入的第二束中红外激光脉冲与存留的光子相互作用，可以产生被探测器直接观察到的紫外相干辐射，从而验证了在氮气离子中的相干光子存留效应。在氮气这种大气气体中验证光子存留效应，不仅证实了氮气离子是一个优秀的量子光学研究平台，而且也指明了将来在室外大气中通过丰富的氮气去实现光信息处理以及室温下相干光信息存储的可能性。
图1. 在相干激发的氮气离子中实现“光子存留”效应的基本原理。光子存留和读取的基本过程（a）以及相应的能级图（b）。图2展示了主要实验结果和理论模拟结果。近红外（800 nm）激光和中红外（1580 nm）激光共振激发氮气离子产生了紫外相干辐射，当两束光脉冲时间重叠时，产生的紫外辐射不仅包含宽带的非共振四波混频，而且包含两条窄带的N2+特征辐射，如图2（a）所示。当两束光脉冲分开后，非共振四波混频和330.8 nm附近的N2+辐射消失，而波长为329.3 nm的紫外辐射依然较强。该紫外辐射在数皮秒时间内缓慢衰减，其动力学过程明显不同于非共振四波混频信号，如图2（b）所示。基于Maxwell-Bloch方程的理论模拟揭示了存留在N2+中的相干光子对于产生329.3 nm相干辐射的重要作用。反过来，该紫外相干辐射为读取微弱的“存留光子”提供了有效手段。理论模拟还揭示了N2+激发态的布居对于有效读取“存留光子”的重要作用。如图2（c）所示，如果激发态的粒子数布居较小，紫外辐射将随两束光延时的增加迅速衰减，从而增加了读取光子的难度。
图2. 在相干激发的氮气离子中通过存留光子产生的紫外相干辐射。实验测得的紫外辐射的光谱（a）与时间演化动力学（b）；在不同的激发态粒子数布居情况下，理论计算的紫外辐射强度随延时的演化（c）。该工作首次验证了氮气离子中的“光子存留”效应，为进一步在大气中开展量子光学研究以及实现光子相干操控提供了新思路。论文第一作者是上海光机所姚金平研究员与上海交通大学王珞珈博士，共同通讯作者是上海光机所程亚研究员、上海交通大学陈险峰教授以及袁璐琦特别研究员。合作者还包括国防科技大学赵增秀教授、北京大学吴成印教授、以及德克萨斯农工大学Vladislav V. Yakovlev教授等。资助机构：国家自然科学基金（11822410, 12034013,11734009, 11974245）、国家重点研发计划（2017YFA0303701, 2019YFA0705000）、上海市市级科技重大专项（2019SHZDZX01）、上海市优秀学术带头人（20XD1424200）、上海市自然科学基金（19ZR1475700）、中科院先导B专项（XDB16030300）、中科院青促会（2018284）等。 Jinping Yao, Luojia Wang, Jinming Chen,Yuexin Wan, Zhihao Zhang, Fangbo Zhang, Lingling Qiao, Shupeng Yu, Botao Fu, Zengxiu Zhao, Chengyin Wu, Vladislav V. Yakovlev, Luqi Yuan, Xianfeng Chen, Ya Cheng, Photon retention in coherently excited nitrogen ions, Science Bulletin, 2021, 66(15), 1511-1517, DOI: 10.1016/j.scib.2021.04.001