激光冷却与捕获原子

原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却和陷俘是现代原子物理和量子物理研究中的重要技术手段。

通过激光冷却，科学家可以将原子降温到极低的温度，甚至冷却到接近绝对零度，这为原子和分子的量子行为研究提供了良好的实验条件。

通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在精密的磁场或光场中，实现原子的精密操控和量子信息处理。

本文将介绍原子的激光冷却及陷俘研究的基本原理和最新进展。

一、激光冷却的基本原理激光冷却是一种利用激光对原子进行冷却的技术。

在20世纪80年代，美国的斯蒂文·肖和克劳斯·冯·克莱高认识到，激光可以对原子施加一个反向的动量，并将原子从热运动中捕获并冷却。

他们于1997年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他们对激光冷却的开创性研究。

激光冷却的基本原理如下：1. 蓝移：当激光与原子发生相互作用时，激光的能量可以被原子吸收，使得原子的能级发生变化。

如果激光的频率高于原子的共振频率，原子将吸收激光的能量并向前运动。

这种现象称为蓝移，是激光冷却的基础。

2. 随机行走：在蓝移的作用下，原子由于吸收激光的能量而受到推动，但同时又受到来自热运动的影响。

这使得原子表现出随机的运动，即随机行走。

通过控制激光的参数，可以使原子在随机行走的过程中逐渐减速并冷却。

3. 冷却限：由于不确定性原理的限制，原子无法被冷却到绝对零度，存在一个极限温度，称为冷却限。

冷却限是激光冷却的一个重要参数，科学家们通过不断改进激光系统和优化实验条件，努力突破冷却限，实现极低温度的原子冷却。

二、陷俘技术的基本原理陷俘技术是一种利用精密场控制原子运动的技术。

常见的陷俘方法包括磁光陷阱、磁力陷阱和光力陷阱等。

通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在一个小区域内，并对其进行精密操控和测量。

陷俘技术的基本原理如下：1. 势能陷阱：通过磁场或光场的调控，可以在空间中产生一个势能曲面，使得原子被束缚在一个小区域内。

这种势能曲面称为陷阱，可以是静态的，也可以是时间变化的。

原子的激光冷却及陷俘研究【摘要】本文主要讨论了原子的激光冷却及陷俘研究。

在介绍了研究背景和研究意义。

在详细介绍了激光冷却技术和陷阱技术，以及原子的冷却过程和陷阱过程。

还介绍了实验方法，包括如何利用激光冷却技术和陷阱技术实现对原子的控制和研究。

在展望了该领域的研究前景，总结了实验成果，并探讨了未来发展方向。

通过本文的研究和讨论，可以更深入地了解原子的特性和行为，为未来的原子物理研究提供重要的参考和指导。

【关键词】原子, 激光冷却, 陷阱, 冷却过程, 陷阱过程, 实验方法, 研究展望, 实验成果, 未来发展方向.1. 引言1.1 研究背景原子的激光冷却及陷俘研究是现代物理学和量子科学领域的重要研究课题。

研究背景可以追溯到上世纪80年代初人们发现了激光冷却原子的方法以及陷阱技术的发展。

这些技术的应用使得科学家们能够将原子冷却到极低温度，甚至接近绝对零度，从而实现了对原子的高精度控制和操控。

这项研究不仅拓展了我们对原子和量子现象的理解，也为量子信息和量子计算等领域的发展提供了重要基础。

随着技术的不断进步和实验手段的完善，原子的激光冷却及陷俘研究正在迎来新的发展机遇和挑战。

深入探究原子的激光冷却及陷俘研究对于推动科学的前沿和技术的创新具有重要意义。

1.2 研究意义原子的激光冷却及陷俘研究在当今物理学领域具有重要的意义。

通过对原子的冷却和捕获技术进行研究，可以实现对原子的极低温控制，从而使原子运动减慢到极低速度，甚至停止运动。

这种冷却技术为研究原子和分子的量子行为提供了重要的工具，可以揭示原子在极低温度下的玻色-爱因斯坦凝聚和费米子的超流现象。

激光冷却和陷阱技术也被广泛应用于精密测量、量子信息处理和制备量子比特等领域。

研究原子的激光冷却及陷俘不仅具有理论上的重要意义，还在实际应用中有着广阔的前景和潜力。

通过不断深入研究和开发这些技术，我们可以更好地理解和利用原子的量子性质，推动量子科学和技术的发展，为人类社会带来更多的创新与进步。

原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却是一种通过激光技术使原子减少热运动而实现冷却的方法。

在原子物理学中，冷却原子是一项重要的研究领域，可以帮助我们更好地理解原子的性质和行为。

激光冷却的原理是利用激光的光压效应，将激光束作用于原子，使原子受到反向的力，从而减少其动能。

当激光的频率比原子的共振频率略高时，原子会吸收激光并受到反向压力。

而当原子的动能减小到与冷却材料的温度相当时，原子将被捕获并形成一个低温原子云。

目前，利用激光冷却的方法已经成功地将气体原子冷却到微开尔文（mK）的温度，甚至更低。

这种低温原子云的研究对于量子物理学以及精密测量技术有着重要的应用价值。

利用冷原子云可以研究量子纠缠和相干性，进一步探索量子计算和量子通信等领域。

除了激光冷却，陷俘技术也是研究原子物理学的重要手段之一。

陷俘是指利用电磁场或激光束来限制原子的运动，使其被捕获在一个特定的空间区域内。

陷俘可以通过多种方式实现，如磁陷俘和光陷俘等。

磁陷俘通常使用磁力场来限制原子的运动。

通过改变磁场的强度和方向，可以影响到原子的运动轨迹。

磁陷俘可以实现对原子的冷却和定位，在原子物理学实验中有着广泛的应用。

光陷俘是另一种常用的陷俘方法，它利用激光束对原子施加光场势能。

通过光学力和引力效应，原子被限制在一个光学陷阱中。

光陷俘具有很高的选择性，可以选择性地捕获不同能级的原子。

激光冷却和陷俘技术的研究对于原子物理学和凝聚态物理学有着重要的意义。

它们可以帮助我们更好地理解量子效应和量子现象，为精密测量和量子信息领域的发展提供基础。

这些技术也在制备冷原子时钟、构建量子计算机和实现量子隧道传输等方面具有重要的应用前景。

原子的激光冷却和陷俘研究是一项具有重要意义的研究领域。

通过这些技术，我们可以将原子冷却到极低的温度并进行精密控制，为量子物理学和精密测量学的发展做出贡献。

激光冷却技术在原子物理中的应用激光冷却技术是一种先进的物理实验技术，它在原子物理研究中起着重要的作用。

通过使用激光束对原子进行冷却，科学家们能够将原子的温度降低到极低的程度，从而使得原子的行为更加可控，开启了一系列令人惊叹的研究领域。

激光冷却技术的基本原理是利用激光束对原子施加光压，从而减慢原子的速度，使其温度降低。

这种技术的成功应用离不开两个重要的原子物理现象：多普勒效应和辐射压力。

多普勒效应是指当光源和物体相对运动时，光的频率会发生变化。

通过调整激光的频率，科学家们能够实现对原子的速度进行调控。

辐射压力是指光对物体施加的压力，这是由于光在物体表面反射和吸收的结果。

通过精确控制激光的强度和方向，科学家们能够对原子施加恰当的光压，从而冷却原子。

激光冷却技术的应用之一是制备玻色-爱因斯坦凝聚体。

玻色-爱因斯坦凝聚体是一种量子态，它是由一群玻色子组成的超冷原子气体。

在常规条件下，玻色子会遵循泡利不相容原理，不容许多个玻色子占据同一个量子态。

但是在极低温度下，通过激光冷却技术，科学家们能够将玻色子冷却到接近绝对零度，使得它们几乎全部占据同一个量子态，从而形成玻色-爱因斯坦凝聚体。

这种凝聚体具有一系列奇特的量子行为，如超流性和相干性，对于研究量子现象和开发量子技术具有重要的意义。

激光冷却技术还被应用于光钟的研究。

光钟是一种精密的时间测量装置，其原理是利用原子的共振频率来计时。

通过激光冷却技术，科学家们能够将原子冷却到极低温度，使其速度减慢，从而减小了多普勒效应的影响。

这使得光钟的测量结果更加准确，能够实现极高的时间分辨率。

光钟的研究对于精确测量时间、推动时间标准的发展以及对引力场的研究具有重要的意义。

此外，激光冷却技术还在原子陷阱和量子计算等领域有广泛的应用。

原子陷阱是利用电磁场将原子束限制在一个小空间范围内的装置。

通过激光冷却技术，科学家们能够将原子冷却到足够低的温度，使其足够慢以被原子陷阱捕获。

这种技术对于原子物理实验的进行至关重要，为研究原子的性质和相互作用提供了有力的工具。

原子的激光冷却及陷俘研究随着物理学的发展，对于原子的研究也越来越深入。

其中一个重要的研究方向是如何对原子进行激光冷却和陷俘，因为这可以使原子的能量和速度减小到极低的水平，从而可以更好的研究和控制它们的行为。

下面将介绍原子的激光冷却和陷俘研究的基本原理和实现方法。

激光冷却是利用激光束对原子进行照射，从而使其受到反向的光压力，减小原子速度的过程。

具体而言，激光束通过调节频率和强度，与原子发生散射，使其获得反向的动量。

对于一个单一的原子，这种激光散射的效果并不明显，但是对于大量的原子，就可以获得很好的冷却效果。

根据激光的频率和强度的不同，可以将激光冷却分为三种：Doppler冷却、莫脱冷却和Sisyphus冷却。

Doppler冷却通常适用于高温铷和锂原子，通过激光的蓝移和红移来达到冷却效果。

莫脱冷却适用于低温镭和氘原子，通过激光的共振吸收达到冷却效果。

Sisyphus冷却适用于钠和铯原子，通过激光的热力学效应使原子在光势阱中震荡，从而达到减速效果。

陷俘是将原子捕获在封闭的空间中进行研究的过程。

传统的陷俘方法是通过磁场来实现，但这种方法不能直接捕获原子。

现在最常用的方法是利用光学陷阱来实现。

光学陷阱有两种：光子陷阱和蒸汽陷阱。

光子陷阱通常由激光束构成，将多个激光束聚焦在一个小空间内，形成一个光势阱，将原子捕获在这个空间中。

蒸汽陷阱则是利用激光在玻璃表面上形成的光场来实现，将原子捕获在玻璃表面附近的空间中。

除了以上两种常见的光学陷阱，还有一种新型的“飞行塔门”陷阱，它是通过一系列激光束组成的门，将气体分子引导到目标区域，然后再利用激光束将其捕获进行研究。

总之，原子的激光冷却和陷俘是物理学研究中的重要部分，可以帮助我们更好的了解和控制原子的行为。

通过使用不同的激光冷却方法和光学陷阱技术，可以实现对原子的高级控制和实验的可控性，从而推动物理学的发展。

激光冷却与捕陷原子的方法)))1997年诺贝尔物理奖介绍*王 义 遒(北京大学电子学系,北京 100871)摘 要 介绍了1997年诺贝尔物理奖的获奖工作)))激光冷却与捕陷原子的方法,其中主要有光学粘团、亚多普勒冷却、亚反冲冷却、激光原子阱等.叙述了它们的物理原理、重要意义及其应用.关键词 激光冷却,激光,捕陷,光学粘团* 1997-12-1收到初稿,1997-12-9修回LASER C OOLING METHODS AND ATOM TRAPPING)))AN INTRODUC TION TO THE 1997NOBEL PRIZE IN PHYSIC SWang Yiqiu(Department of Electronic s ,Pe kin g Univer sity,Beij in g 100871)Abstract T he work of the w inners of t he 1997N obel Prize in Physics is briefly reviewed.T he principles of t he methods for laser cooling and trapping of atoms,such as opt ical molasses,sub-Doppler cooling,sub -recoil cooling,laser trapping of atoms etc,are desc ribed.T heir significance and possible applications are presented.Key words laser cooling,laser trapping,optical molasses1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布,1997年诺贝尔物理奖授予49岁的美国斯坦福大学朱棣文(Stenven Chu)教授,69岁的法兰西学院和巴黎高等师范学院C.C.达诺基(Claud Cohen Tannoudji)教授,48岁的美国国家标准技术研究院的W.D.菲利浦斯博士(Willian D.Phillips),以表彰他们在发展原子的激光冷却和捕陷方法上所作出的杰出贡献.什么是原子的激光冷却与捕陷?这种方法在科学技术的发展上有何重大的意义?本文试图对此作简要说明.有兴趣的读者可以阅读一些综述文章[1]和其他参考文献.1 重大意义物理学的基本任务是研究物质的基本结构及其最一般的运动和变化的规律.要开展研究,就要把研究对象拿在手,进行仔细的观察和测量.对原子和分子来说,这简直不可能.根据分子运动论,在常温下一切原子、分子都在高速运动.以空气中的氢分子为例,室温下均以1100m/s(4000km/h)的速率运动,即使降温到3K(-270e ),它们仍以110m/s(400km/h)的速率运动.这样的高速粒子如过眼烟云,很难观察,测量也必然带来严重误差.而且在降温时,一般原子会凝结成液体和固体,这时原子间有强烈的相互作用,其结构和基本性能都将发生显著变化.如何使原子分子的运动速度降至极小,甚至接近于零,又使它们保持相对独立,很少相互作用,这是物理学家的一个梦想,也是物理学上的一大难题.激光冷却与捕陷原子技术的发明使这个难题基本解决.现在人们已可使#131#27卷(1998年)3期原子温度降到10-10K量级而仍保持气体状态.这是人们操控物质粒子的极大成就.激光冷却与捕陷方法开创了原子分子物理和光与物质粒子相互作用领域的新的可能性,使测量精度大大提高.其实例之一是原子钟.现在的时间单位)))秒是由铯原子频率基准来体现的.由于原子高速运动所引起的谱线的多普勒频移和增宽、碰撞频移和增宽以及渡越增宽(决定于原子与辐射场相互作用时间),使复现基准频率和时间(即精确测定铯原子基态超精细结构分裂值)的误差一般[1@10-13.现在利用激光冷却和捕陷原子方法做成的原子喷泉,已使频率基准准确度达到10-15数量级[2],将来可望达到10-16.这是原子测量的光辉成就,对检验广义相对论、引力波等物理理论,开展精密定位、导航和深空探测等应用具有重要意义.物质粒子的德布罗意波长在室温下一般很小,难以呈现它的波动性;但在L k的低温下,粒子平均动量极小,德布罗意波长可达到和可见光波长相比或更长,粒子就会呈现波动性.这时就可使原子束呈现普通光束所具有的反射、聚焦、衍射、干涉等现象,从而开辟了/原子光学0的新领域.利用低速原子构建的原子干涉仪,可使重力加速度g值的测量精确度达到10-10数量级,还可实现纳米级的微细加工,开发原子印刷和刻蚀的新工艺,对未来微电子学的发展将带来深远影响.当原子冷却到足够低的温度时,原子的德布罗意波长大于它们之间的平均距离,原子群会进入一种特殊的状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚.这时所有的原子都处在能量最低的量子态,原子之间互相相干.在稀薄气体中,这种玻色-爱因斯坦凝聚的原子间相互作用极弱,因而可以对其特性进行精密的研究.目前对这种状态有些什么样的优良特性和应用前景尚不十分明确,但人们利用激光冷却和捕陷已实现了这种状态[3].1997年初,人们更成功地把原子一个个地从玻色-爱因斯坦凝聚态中取出来,形成相干的原子束,这好比激光束中的光子,因而称为原子激光[4].人们已预期可用原子激光做成精度更高的原子钟.它的进一步的用途尚在探索之中.可以肯定,这一新物质状态将给科学技术带来广阔的前景.2光学粘团激光冷却依靠光对原子的机械作用力.差不多在一个世纪之前,物理学家就已经认识到光对实物粒子有这种作用了,这就是光压.正是它使慧星尾巴永远背向太阳.但是,光对原子运动进行有效的人为控制却只是在激光问世以后.1975年,亨斯(H ansch)和肖洛(Shawalow)提出了用两束互相对射的激光冷却中性原子的建议.设想一原子沿x方向以速度v运动,激光束以-x方向迎面射向原子.原子会吸收激光光子,但这种吸收有共振作用,即光频率M等于原子本征频率M0时吸收几率最大.由于多普勒效应,原子感受到的激光频率为M c=M(1+ v/c),c为光速.因为v n c,原子以最大几率吸收的光频率应为M=M0(1-v/c),即光频率应调到负失谐M<M0处.光子带有动量p=h M/c, h为普朗克常数.原子吸收光子后获得其动量,在设定情况下,光子动量与原子动量反向,原子将损失动量而减速.原子吸收光子后将自发辐射释放荧光光子,此过程是各向同性的.一般原子每秒可吸收发射上千万个光子,每次吸收激光光子是定向的,发射荧光光子是无规则的(其平均动量变化为零),原子就会迅速减速而冷却(kT=m v2,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度).这种冷却称为多普勒冷却,冷却力称为耗散力或自发辐射力.由于每秒吸收发射次数很多,这种减速力是很大的,对钠原子的589nm 的共振光而言,其减速效果相当于十万倍的重力加速度!若原子沿x轴作一维无规运动,速度有大有小,有正有负,用方向相对的两束负失谐的激光照射,则原子优先吸收迎面来的激光光子,从而降低速度达到冷却.图1显示这种情况下原子所受的力,可见力的方向总是与速度方向相反,因而是阻尼力,原子速度就会趋于零.#132#物理图1多普勒冷却机制(a)一个原子在沿两束负失谐为D的对射激光驻波场中运动;(b)低激光强度时,由于激光负失谐,原子感受到来自反方向的平均作用力,这种静摩擦力可以冷却原子.速度为零时摩擦力曲线斜率等于摩擦系数把一维情况扩展到三维,从上下左右前后有6束激光射向原子,会发生什么情况呢?为此,1985年在贝耳实验室的朱棣文小组做了一个实验(见图2).他们用6束激光照射到从原子束上减速下来的钠原子团上,测量了6束激光交汇处冷却下来的原子团的温度,结果为240L K.显然原子速度并未冷却到零,它们仍在作微弱的但却是可观的运动.这一结果并非意外,实际上原子温度不可能冷却到零.原因是原子吸收光子损失动量后还会发射光子而得到一无规的反冲动量.这发射的光子还可能被邻近原子吸收而使它又得到一无规动量.在6束激光交汇区,原子和光子不断吸收发射,交换动量,处于互相胶着的状态.它们分别作类似于布朗运动的无规行走,从一处扩散到别处.朱棣文把这种原子光子的胶着状态称为光学粘团(op-tical molasses),因为它犹如一团糖浆,糖分子在其中作扩散运动而无法逃脱.不太复杂的统计物理理论可以计算出光学粘团中这种吸收冷却和无规发射加热所达到平衡时的最低温度.当负失谐量D(=M0-M)等于原子共振谱线的半宽度时,kT m i n=Ü#/2,#为谱线的自然宽度.这个最低冷却温度T m i n称为多普勒冷却极限.对实验中常用的23Na,87Rb,133Cs和4Ne原子而言,T min分别为240,144,125和23L K,朱棣文小组继激光减速原子束(包括W.Phillips和J. Hall两组的工作)之后,第一次实现了气体原子的激光冷却,为此后的研究工作开辟了诱人的前景,大大推动了此领域的研究.图2带有正交激光束和脉冲原子束的真空反应室原理图(原子束由一10ns双倍频的YAG激光蒸发一固态钠薄片产生.液氮冷却的隔板是一有效的低温泵,反应室的真空度~2@10-8Pa)3亚多普勒冷却朱棣文的光学粘团实验引起了科学家的兴趣,许多人重复他的工作.1987年美国国家标准局菲利浦斯小组重复了他的试验,测得的温度竟低达约40L K,即仅为多普勒极限的1/6.这一结果是惊人的,为了检验他们的实验结果确实无误,他们采用了3种测温度方法,其中有后来被此领域科学家广泛采用的精确的飞行时间法.该方法是把光学粘团的激光束关断,让原子团在重力场中自由下落,在一定距离处设一探测激光束,根据下落原子发出的荧光判定接受原子的多少.温度使原子速度分散,根据不同时间接受到的原子的多少以确定原子的速度分布,从而推出温度.所有这些方法都测得实验中的原子粘团温度约为40L K.#133#27卷(1998年)3期确定无疑的结果使C.C.达诺基和朱棣文等重新思索多普勒冷却极限理论的正确性.他们几乎同时认识到,这一理论过于简单,它是基于原子只有两个能级(一个基态和一个激发态)之上的.实际上,实验中所用原子,如钠、铯等,基态都有两个以上能级.在一定的偏振光作用下,原子会自动集中到某一子能级.这种现象称为光抽运效应.光波的电矢量方向决定激光的偏振方向.可以想象,在光学粘雾6束激光交汇处,光的偏振状态不是整齐有序,而是随地点而变化的,即具有/偏振梯度0.若在一定偏振光作用下原子倾向于落在能量低的能级,则随着原子的移动其所感受的光场偏振变化就意味着它在光场中的势能有所增加,而这只能靠降低其动能来得到补偿.这样原子在运动中将丧失动能而减速冷却.此后,原子又会在光作用下激发,而下落时又将处于最低能态,在以后的移动中又进一步丧失动能.如此往复,原子一次次在光势能场中爬坡、激发,下落到最低能态,如同古希腊神话中西西弗斯(Sisyphus)被罚推石上山,到达山顶后又滚下,如此周而复始,能量大损.所以这种机制又称西西弗斯冷却.图3是一种一维偏振梯度的特例:原子两个能级的能量随光场偏振状况不同而变动(这实际上是能级/光频移0的变动),原子从最低能量态移动时总是沿势能曲线爬坡,遇光激发后又抽运到最低能态,如此往复.这种机制使已经多普勒冷却的原子进一步冷却,其极限温度与激光的强度和频率失谐量有关,原则上可以达到与吸收和发射一个光子所带的反冲动量相对应的最低值,即kT=(h M)2/mc2.这个最低温度称为反冲极限.对钠原子,T m i n为214L K;对铯原子则为012L K.除了偏振梯度冷却以外,还发现了另外一些亚多普勒冷却机制,它们都利用了基态多能级结构、光抽运、光频移、磁共振等效应.这些新机制的发现,使激光冷却原子技术更丰富多样.4亚反冲冷却上述原子冷却机制都包含了光子的吸收和发射,因而和交换光子动量相联系,其冷却温度受反冲极限所限制.1988年,C.C.达诺基与其同事发明了一种绕过这种极限的冷却方法,称为速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT),其原理示于图3.这里以相反方向作圆偏振的光图3西西弗斯冷却机制(原子在激光偏振场中沿势能曲线爬坡,到达势能最高点处又被光抽运到最低能态.平均地说,原子爬坡几率比下坡几率大,原子就会损失动能,从而速度降低.在如图所示的这种情况,原子损失动能最大,因为原子运动1/4波长所需时间刚好等于光抽运时间S p)(R+,R-),以同一频率从相反方向照射原子.原子基态有3个简并能级,在圆偏振光作用下, g+,g-能级可以与激发态e0耦合,双光子受激辐射过程在这里起重要作用,原子可以从g+态吸收R-光子,并通过受激发射R+光子而过渡到g-态,反之亦然.这种过程虽可使运动原子损失两个光子能量,但由于正反方向有相等几率却不能使原子减速.但是,原子在激发后还可能通过自发辐射散射荧光光子,还是能使原子减速而冷却.当原子速度接近于零度时,g+和g-态可通过同时吸收R+和R-光而耦合处于相干叠加态,这时原子反而不再吸收光子,也不再发射荧光,称为处于/暗态0.这样,v=0的原子将长留此暗态.因此,一旦原子减速到接近于零,就捕集于此相干叠加态,原子在此态积累.C.C.达诺基小组利用此法于1988年把亚稳态氦原子一维冷却到2L K,不仅远低于多普勒冷#134#物理却极限,而且也仅为反冲极限4L K 的一半.严格地说,VSCPT 法仅是一种把速度为零的原子选择出来加以捕集的方法,但它可使冷却温度低于反冲极限,因而十分诱人.巴黎这个研究组于1994年又对氦原子实现了二维VSCPT 冷却,得到温度为250nK.1995年又实现了三维冷却,温度低至180nK [5].图4 速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT)原理(a)两束对射的R +和R -偏振激光和4He 原子作用,发生23s 1-23p 1跃迁;(b)原子的塞曼子能级和一些Clebsch -Gordan 系数.由于e 0\g 0跃迁是禁戒的,几次荧光循环跃迁后所有的原子泵浦到g +和g -态,这两个能级的原子只能耦合到e 0态,这样一个近三能级+组态就形成了若如图4所示的原子能级中两个能级有能量差,且同时能与一个激发态实施光耦合,则利用类似上述速度选择相干布居数捕陷法可实现拉曼冷却.此时,两束对射的冷却激光束的频率差小于两个基态能级的能量差,则多普勒效应使速度为正向的原子以吸收-x 方向的激光而激发,受激发射的光子则加入到+x 方向的激光,从而使原子丧失两个光子的动量而减速.把两束有频差的激光方向反转,则对带-v 速度的原子起作用.此时原子已从原来基态一个子能级转到另一子能级,为了继续发生作用,用一抽运光束使原子回到原来子能级,这时原子速度已改变.为了有效减速,激光频率应作调整,以使与多普勒频移合拍.这样,拉曼冷却采用一连串的频率和持续时间不断变化的拉曼光脉冲和抽运光脉冲相间的激光序列.如上述速度为零的原子则不再与激光作用.朱棣文用这种方法在斯坦福大学先后对钠原子实现了一维、二维和三维冷却,其所得温度分别为反冲极限的0125倍、114倍和5倍[6].C.C.达诺基的小组则在巴黎高等师范学院将铯原子冷却到了218nK 的低温,仅为反冲极限的1/70[7].这是目前激光冷却的最低温度.速度选择相干布居数囚禁的方法是捕集速度为零的原子,其最终温度极限决定于相互作用时间,因而没有明确界限.朱棣文等曾利用钠原子喷泉方法,选择捕集到速度范围极窄的一群原子,其相应温度仅为24pK.5 激光原子阱激光对原子的机械作用,除上述耗散力以外,还有一种偶极力.这种力的本质如同磁铁吸针的磁力.针在磁铁作用下诱导出极性,其近磁铁一头极性与磁头相反,离磁铁一头极性与其相同.在磁铁的不均匀磁场作用下,吸力大于斥力,针就被磁铁吸引.在光场作用下,原子也会产生极性)))感应偶极矩,它可使原子吸引到光强最强处.是吸收还是排斥,取决于激光频率是低于还是高于原子共振频率.这种现象也可用原子能级的能量在光场中的移动)))光频移来解释.若光频率负失谐,则原子基态能级随光强度增加而向能量低处移动;反之,若为正失谐,则光强越大,基态能量亦越高.移动量与光强成正比.因此,当一束负失谐的高斯激光束通过原子气体时,原子就会自发向光腰处汇聚,因为光腰中心处光强最强,原子在光场中势能最低,这就形成了激光原子阱.同时,若有一束负失谐的驻波激光束通过原子,原子会聚集到波腹处.但是,对实际激光束,这种势阱深度很浅,动能较高的原子就可以逸出阱外.若以温度来度量,则这种阱深一般在mK 量级,甚至更低.朱棣文等曾在激光冷却的光学粘团中加一束高斯激光束,把低温原子捕陷于光腰上,成功地展示了激光阱的作用.许多原子(如碱金属原子)带有磁矩,可用#135#27卷(1998年)3期不均匀静磁场捕陷原子,菲利浦斯等人曾成功地实现了静磁原子阱.但这种阱的势能深度也不大,只能囚禁低速原子.为了克服这个困难,巴黎高等师范学院C.C.达洛基小组的达利巴(Dalibard)提出了一种磁光阱的建议.这种阱把激光和静磁场对带磁矩的原子的作用有机地结合起来,可以得到几百mK的阱深,因而具有实用性.1987年,朱棣文和Pritchard合作成功地对预先用激光减速的钠原子实现了磁光阱. 1990年,科罗拉多大学的Wieman竟能在气室中用磁光阱直接把低速原子捕集并冷却下来.这个实验大大简化了激光冷却与捕陷原子的技术,使这种技术得以广泛地进入激光与原子分子物理实验室,成为强有力的研究手段.我国70年代末,王育竹小组在中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)率先开展了激光冷却原子的研究,并在80年代末得到了钠原子束一维冷却温度60L K的好结果.北京大学小组从90年代起开展了以原子喷泉频标为目标的激光冷却原子工作.1996年北京大学和上海光机所小组分别实现了铯原子和钠原子的磁光阱.1997年北京大学小组进一步实现了光学粘团,得到了10L K的铯冷原子团.上海光机所小组在原子干涉上也取得了成绩.这两个小组与3位诺贝尔奖获得者都保持着学术联系.朱棣文曾于1988年、1997年两次访问中国,进行了学术讲演,这次获奖后曾与江泽民主席会晤,允诺再次来华进行学术访问.C.C.达诺基曾于1979年访问我国,并允诺近年再次来华.W.D.菲利浦斯对北京大学的不对称光学粘团的设想曾给予了积极评价.他们的获奖对增进我国开展激光冷却与捕陷原子工作将会带来积极影响.致谢作者感谢聂玉昕、杜祥琬和5物理6编辑部提供的部分资料.参考文献[1]W.D.Plillips,H.J.Metealf,S c ientif ic Amer ican,No.3(1987),36;C.N.Cohen-T annoudji,W.D.Plilli ps,Physics Tod a y,No.10(1990),33;S.Chu,Science,253(1991),861;S.Chu,Scientif ic A meric an,No.2(1992),49;G.B.Lubkin,Physics Toda y,No.1(1996),22;王义遒,物理,19(1990),389;王义遒,物理,19(1990),449;王育竹、王笑鹃,物理,22(1992),16.[较深入的了解可阅读J.Opt.Soc.A m.B,66-11(1989).][2] A.Cl airon,nrent,G.Santarelli et al.,IEEE Trans.,I M-44-2(1995),128.[3]M.H.Anderson,J.R.Ens h et,M.R.Matthew s et al.,Scienc e,269(1995),133.[4]M.O.Mews et al,Ph ys.Rev.L ett.,78(1997),582.[5]wal l,F.Bard ou,B.Saubamea et al.,Ph ys,Rev.L ett.,73(1994),1915;w all,S.Kulin, B.Saubamea et al.,Phys.Rev.L ett.,75(1995),4194.[6]N.Darids on,H-J.Lee,M.Kasevich et al.,Ph ys.Rev.L ett.,72(1994),3158.[7]J.Rei chel,F.Bardou,M.Bendahan et al.,Phys.Rev.L ett.,75(1995),4575.#136#物理。

·1997年诺贝尔物理学奖——激光冷却和陷俘原子朱棣文科恩－塔诺季菲利普斯1997年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的朱棣文（Stephen Chu，1948—），法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩－塔诺季（Claude Cohen －Tannoudji，1933—）和美国国家标准技术院的菲利普斯（William D.Phillips，1948—），以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。

激光冷却和陷俘原子的研究，是当代物理学的热门课题，十几年来成果不断涌现，前景激动人心，形成了分子和原子物理学的一个重要突破口。

操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标。

固体和液体中的原子处于密集状态之中，分子和原子相互间靠得很近，联系难以隔绝，气体分子或原子则不断地在作无规乱运动，即使在室温下空气中的原子分子的速率也达到几百m/s。

在这种快速运动的状态下，即使有仪器能直接进行观察，它们也会很快地就从视场中消失，因此难以对它们进行研究。

降低其温度，可以使它们的速率减小；但是问题在于：气体一经冷却，它就会先凝聚为液体，再冻结成固体。

如果是在真空中冷冻，其密度就可以保持足够地低，避免凝聚和冻结。

但即使低到－270℃，还会有速率达到几十m/s的分子原子，因为分子原子的速率是按一定的规律分布的。

接近绝对零度（－273℃以下）时，速率才会大为降低。

当温度低到10-6K，即1微开（μK）时，自由氢原子预计将以低于25cm/s的速率运动。

可是怎样才能达到这样低的温度呢？朱棣文、科恩－塔诺季、菲利普斯以及其他许多物理学家开发了用激光把气体冷却到微开温度范围的各种方法，并且把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中。

在这里面，个别原子可以以极高的精确度得到研究，从而确定它们的内部结构。

当在同一体积中陷俘越来越多的原子时，就组成了稀薄气体，可以详细研究其特性。

这几位诺贝尔奖获得者所创造的这些新研究方法，为扩大我们对辐射和物质之间相互作用的知识作出了重要贡献。

激光捕获原子技术在冷原子物理中的应用冷原子物理是研究极低温下，原子相对论性效应和量子力学效应的行为的一门学科。

冷原子物理手段的发展已经进入到了一个比较成熟的阶段，其中激光捕获技术作为其中的一项关键技术日渐成熟。

激光捕获技术，是一种利用激光光学实现对冷原子的捕获、冷却和操控的技术。

这种技术是将激光光束与冷原子相互作用的重要手段之一，包括磁光阱（magneto-optical traps）、磁光波导（magneto-optical waveguides）等形式。

激光捕获技术的基本原理是：利用激光光束和磁场共同作用，通过对原子的速度、运动方向和位置的精密控制，使得原子能够被捕获、冷却和操控。

激光和磁场结合的技术操控范围广泛，并且可以随着实验需求的变化而进行调整。

激光捕获技术的发展历程也较为悠久，1975年，美国加州大学伯克利分校的三位科学家发明了第一种利用激光束把钠原子用氖原子冷却的磁光阱，开启了观测冷原子的新纪元。

激光捕获技术已经广泛应用于多种冷原子实验。

其应用可以分为三类：一是研究超冷气体中的大分子物理；二是研究量子信息科学；三是研究基于冷原子的精密测量。

其中，应用激光捕获技术研究超冷气体中的大分子物理，是目前冷原子物理研究的重点之一。

超冷气体中的大分子物理是一个重要的研究方向，对于物态方程、化学反应和光谱学等方面都有极大的应用价值。

冷原子击穿电离离子源（cold atomic beam photoionization source）是否相当于一种超冷量子气的实验，是一个值得研究的问题，对于大分子物理有很重要的意义。

其次，应用激光捕获技术研究量子信息科学也是目前的研究方向之一。

冷原子和离子是量子体系中操控最为灵活的量子比特，在目前量子计算机领域中有着广泛的应用前景。

激光捕获技术可以实现对单个原子的数量、状态和位置的可控制，是实现量子信息科学的重要手段之一。

最后，应用激光捕获技术研究基于冷原子的精密测量也是一项重要的研究方向。