原子的激光冷却及陷俘研究

黄汉诚 郭力菡 李孟轩

摘 要：基于相关文献，回顾了原子的激光冷却及陷俘的实验研究发展历程;同时，对塞曼制冷和西西弗斯制冷技术原理进行了总结;最后，对于这些技术的未来发展提出了研究展望。

关键词：激光冷却; 陷俘; 科学史; 技术原理

中图分类号：O41          文献标识码：A      文章编号：1006-3315（2020）1-196-001

17世纪初期，德国著名天文学家和数学家—开普勒提出彗星尾巴总是指向远离太阳一端的原因可能是因为太阳光机械压力的作用，这是光与物质粒子之间相互作用的一个早期猜想。从此，人们迫切想了解这一规律的本质，越来越多的科学家开始投入光与物质粒子相互作用这一物理专题。两百年以来，这个领域的研究进程虽不显著，但是给物理学界不断带来一些新的冲击。进入20世纪后，美国科学家康普顿通过研究x射线通过实物物质时发生散射的实验证明了光子具有动量。与此同时，一个新的猜想被提出，是否可以用光去减速原子呢？1929年，普林斯海姆提出通过反斯托克斯荧光对材料進行制冷的设想，但遭到一些物理学家的强烈反对。其后，关于制冷方法是否违背热力学基本原理的争论持续了整整16年。1995年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室空间制冷技术研究组首次通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得了可被测量的制冷量。

1.塞曼制冷

上世纪70年代，激光制冷理论就在物理学界崭露头角，诺贝尔奖得主亚瑟·阿什金在其1970年的“利用共振辐射压力使原子束偏转”文章中就提出：这次试验导致了用于捕获原子的光势阱的发现。基于他的文章，菲利普斯和梅特卡夫在1982年提出了塞曼频移补偿多普勒频移，即由于原子的速度变小，速度和多普勒频移成比例，因此，基于原子所观测到的多普勒频移显著降低，从而使原子上观测到的入射光频率不等于原子共振频率，不符合原子吸收光子的需求，以至于原子不能继续吸收光子，导致持续性降速降温失效。根据塞曼效应，外磁场强度直接影响原子能级分裂距离，因此，就让原子改变自身共振频率以与观测入射光频率相等成为了可能。菲利普斯和梅特卡夫手工制造了一个分布不均匀的导线螺线管，利用整个螺旋管磁场强度递减特征，进一步控制共振频率。在同一频率下，光子被吸收时会起到阻碍原子定向运动的作用，从而使原子速度降低。

在这之后，菲利普斯和梅特卡夫设法成功地在一堆原子中选择了速度较低的那一部分，气体温度大约为70mk。他们将减速之后的原子放置于由两个反向电流流动电圈所产生的非均匀磁场中，由于原子具有磁矩，所以它们依然受磁场的作用。他们首先将制冷之后速度低于100m/s的原子送入磁陷阱范围内，通过400毫秒的激光脉冲照射，使原子速度降低至几米每秒，此时给两个线圈通电，形成磁陷阱俘获原子。值得一提的是，这样的实验需要基于高真空环境才能更好地进行，在当时，菲利普斯和梅特卡夫在真空室中进行实验，发现不过一秒钟，磁陷阱中一半的原子就因为真空中残留的空气分子而被撞出磁陷阱区域;当他们切换实验环境到高真空的时候，这个陷俘的半衰期得到了大幅度的提升，达到了1分钟。

2.光学糖浆

光学糖浆实验是把从六个方向（x，-x，y，-y，z，-z）射来的激光汇集在一个非常小的区域内，此时无论这个区域内的原子向哪个方向运动，都会吸收到这个方向上运动的光子，从而减速。首先提出光学糖浆这个概念的是美籍华裔物理学家朱棣文和霍尔伯格， 1984年他们利用啁啾制冷将减速的原子送进了光学糖浆之中，根据这样的实验，他们成功地将0.2立方厘米中105个钠原子冷却到大约240μK的低温，也曾探测到185μK的温度（略低于多普勒极限的理论温度）。

虽然朱棣文和霍尔伯格的实验比较成功，但是光学糖浆中陷俘的原子个数依然十分有限（由于光学糖浆体积过小，势阱也相对于之前的塞曼制冷较浅，因此，陷俘原子数量大约只有1000个原子左右），为了解决陷俘原子数量不足的问题，朱棣文和霍尔伯格在1987年与学生拉布合作，在光学糖浆的周围增加了一个由通电线圈组成的球形四极磁场，此时作用力就会开始作用在原子上，指向陷俘中心，从而形成稳定持久的原子陷阱。这次实验改进比较成功，因为改进后的实验成功地陷俘了107-108个原子。

3.打破多普勒极限

1988年，在第二次原子能大会期间打破多普勒极限的实验方法被提出了，分别是飞行时间实验法、喷泉实验法、阵雨实验法和释放再捕获实验法。其中，飞行时间实验法和释放再捕获实验法最为成功，分别将原子成功降温到43±20μk和45±20μk[1]。

释放再捕获实验方法即为西西弗斯制冷，其原理是在磁场中原子的基态和激发态能级都能发生塞曼分裂。原子在外界光场照射下从基态跃迁到激发态的过程与原子的塞曼支能级的磁量子数有关[2]，也和光的偏振状态有关。

在光学糖浆中，多束激光束的重叠会在一定区域内形成偏振光区域，因此原子会周期性地进入不同偏振光的区域，从而使原子不断从内部能量低的状态吸收原子动能，从而使原子动能不断下降，温度不断下降。

4.研究展望

总的来说，激光冷却技术在现阶段并不成熟，局限性主要在于其冷却的空间很小，但是这一技术的发展对于现代科技的进步无疑是有重大科学研究意义的。自上世纪后半段以来，原子冷冻技术已经被应用到许多领域，如玻色爱因斯坦凝聚、超冷分子、大规模集成电路和空间遥感领域。

综上所述，原子冷冻的技术前景广阔，而且是物理界的一大热门话题。在未来，该技术可能会是分子和原子物理学的重大突破口，随着技术的不断进步，微观物理学将会迎来下一个黄金时期。

参考文献：

[1]崔家岭.激光冷却与电子捕陷的发展线索[D]首都师范大学，2000

[2]潘笃武. 原子的激光致冷和陷俘研究的历史[A]上海市科学技术史学会、东华大学，2006年上海市科学技术史学术年会论文集[C]上海市科学技术史学会、东华大学：上海市科学技术史学会，2006：5