激光冷却技术及其在玻色–爱因斯坦凝聚中的应用

孙 广，张晓变

（河南质量工程职业学院 基础部，河南 平顶山 467000）

激光冷却技术及其在玻色–爱因斯坦凝聚中的应用

孙 广，张晓变

（河南质量工程职业学院 基础部，河南 平顶山 467000）

介绍了激光冷却中性原子的原理，以及玻色–爱因斯坦凝聚的形成条件和实现途径，说明了激光冷却技术在玻色–爱因斯坦凝聚中的应用．

激光冷却；玻色–爱因斯坦凝聚；光学粘团

十多年来，一个新的研究领域——超冷原子物理学蓬勃发展起来．处于“超冷”状态（温度低于1 mK）的原子体系将遵从新的物理规律，其中特别有意义的是原子气体会出现玻色–爱因斯坦凝聚现象（BEC）．2001年的诺贝尔物理奖就授予了在BEC实验实现和性质研究方面做出重要贡献的英国科学家康奈尔、维曼和德国科学家克特勒．玻色–爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态[1]．这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）．这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景．本文介绍激光冷却中性原子的原理，以及BEC的概念、形成条件和实现途径，并说明激光冷却技术在BEC中的应用．

1 激光冷却中性原子技术

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，室温下平均以1100 m/s的速率运动，即使将温度降到3 K，它仍以110 m/s的速率运动．这样高速运动的粒子很难观察，更难进行精确测量．另外，随着温度的降低，众多原子通常会凝结成液体或固体，从而原子间产生强烈的相互作用，其结构和基本性能将发生显著变化．如何使原子分子的运动速度降至极小甚至接近于零，又使他们保持相对独立（相互作用很弱），这是物理学上的一个难题[2]．当温度足够低时，原子群会进入一种特殊的状态——BEC状态．目前，人们利用激光冷却和捕陷技术使原子群呈现了这种特殊状态[3―5]．

激光冷却中性原子的物理思想是Schawlow和Hansch在1975年提出的，他们认为利用激光的辐射压力可将原子气体冷却到极低的温度[6]．到20世纪80年代中期，在原子束横向冷却实验中，原子束流达到了前所未有的强度，原子的运动也可以得到精确控制[7]．

用准单色激光照射运动的原子，原子将损失动量而减速，如图1所示．设原子静止时吸收光子的频率为ν0，当原子以速度V逆着激光运动时，由于多普勒效应，共振吸收光子的频率是ν=ν0(1−V/c)，原子吸收光子后因自发辐射而回到初态，然后再吸收光子，再自发辐射……每次吸收一个光子，原子都在其运动方向上损失一部分动量，而每次自发辐射所发射光子的方向却是随机的．由于吸收光子时原子在其运动方向的动量减小，而辐射光子时原子动量变化量的平均值为零，所以多次吸收–自发辐射之后原子被减速，这种冷却机制称为“多普勒冷却”[8]．

图1 多普勒冷却中的原子和光子

Schawlow和Hansch提出激光冷却原子的思想以后，物理学家们花了近20年的时间来完善这项技术，已能将原子群的温度从室温冷却至几十nK，其间物理学家们克服了很多技术难题，其中最主要的是原子减速后多普勒频移变小导致的原子吸收–自发辐射停止的问题．解决原子吸收–自发辐射停止问题的最有效方法之一是塞曼频移补偿法，1982年W. D. Phillips小组利用基于这一方法的“塞曼减速器”将钠原子的温度从室温冷却到了100 mK[9]．人们还采用一些新的冷却机制（如偏振梯度冷却、速度选择相干布居捕陷冷却、“蒸发”冷却和速度选择相干态粒子数囚禁等）一次次突破了原子温度的极限[10]．

2 激冷却技术在BEC中的应用

根据量子力学中的德布罗意关系λ=h/p，粒子的运动速度越慢（温度越低），其物质波的波长就越大．当温度足够低时，原子的德布罗意波长与原子之间的距离在同一数量级上，物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态，其性质可由单个原子的波函数描述．当温度接近绝对零度时，热运动现象就消失了．BEC的实现首先要获得超冷玻色原子气体（一般采用磁光阱捕获并初步冷却足够多的冷原子），接着用塞曼冷却器减速，最后用“光学粘团”法进一步冷却．“光学粘团”法是激光冷却技术中的一种重要方法．

首次实现碱金属原子BEC实验的核心装置是磁光阱，它是利用磁场和光场建立的一种原子陷阱[8]．在磁光阱中，方柱形的玻璃容器是原子气室，上、下2个平行反向电流线圈产生非均匀磁场（零场强点正好在气室中心），3对两两相对的激光束沿三个坐标轴交汇在气室中心．在磁场和激光的共同作用下，磁光阱气室中的原子将被冷却．磁光阱是所谓的“暗阱”（Dark Mot），可延长原子在阱内的停留时间，从而获得足够多的冷原子，以便接着采用“光学粘团”法进一步冷却碱金属原子从而获得超冷玻色原子气体．

在解决了一系列技术难题之后，碱金属原子的BEC相继实现．1995年7月美国科罗拉多州的一个研究组报道他们首次实现了87Rb原子的BEC，同年8月Rice大学的一个研究组报道实现了7Li原子的BEC，3个月后的11月，MIT的研究组报道实现了23Na原子的BEC，这3次实验都是使用激光冷却和捕陷中性原子的关键技术完成的[11―12]．

综上所述，在应用激光冷却技术实现原子的BEC实验中，多普勒冷却机制是激光冷却中最基本的技术，采用“光学粘团”法获得冷却原子样品是实现BEC凝聚的关键．

[1] 陈丽璇，林仲金，严子浚．玻色―爱因斯坦凝聚(BEC)的实现和研究进展[J]．自然杂志，1997，19(6)：344―346．

[2] 茅奕．玻色―爱因斯坦凝聚的实现及应用[J]．现代物理知识，2000，12(2)：17―20．

[3] Anderson M H，Ensher J R，Matthews M R，et al．Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor[J]．Science，1995，269(5521)：198―201．

[4] 李师群．激光冷却和捕陷中性原子[J]．大学物理，1999，18(1)：1―5．

[5] 王义遒．原子的激光冷却与捕陷(I)[J]．物理，1990，19(7)：389―399．

[6] Hansch T W，Schawlow A L．Cooling of gasses by laser radiation[J]．Optics Communications，1975(13)：68―69．

[7] 陈徐宗，周小计，陈帅，等．物质的新状态——玻色-爱因斯坦凝聚[J]．物理，2002，31(3)：141―145．

[8] 李师群．超冷原子物理学与原子光学[J]．物理与工程，2002，12(1)：1―4．

[9] Migdall A L，Prodan J V，Phillips W D，et al．First observation of magnetically trapped neutral atoms[J]．Physics Review Letter，1985，54(24)：2596―2599．

[10] 王育竹，王笑鹃．激光冷却原子新机制[J]．物理，1993，22(1)：16―22．

[11] 谢世标．玻色―爱因斯坦凝聚的研究[J]．广西物理，2002，23(3)：47―50．

[12] 张雪粉，于迎辉，温小明，等．玻色－爱因斯坦凝聚研究新进展[J]．科技通报，2009，25(2)：124―130．

The Application of Laser Cooling in Bose-Einstein Condensation

SUN Guang, ZHANG Xiao-bian
(Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan Henan 467000, China)

The technique and basic principle of laser cooling as well as the concept, realization conditions of Bose-Einstein condensate are introduced. The application of the technology in the Bose-Einstein condensation is explained.

laser cooling; Bose-Einstein condensation; optical molasses

O51

A

1006-5261(2010)05-0007-02

2010-06-10

孙广（1970―），女，江苏睢宁人，讲师．

〔责任编辑 张继金〕