分享一种用于激光冷却和捕获原子的方法

朱棣文，Claude Cohen-Tannoudji 以及William D. Phillips在激光冷却捕获的工作成果（methods to cool and trap atoms with laser light.）给该领域的理论和实验研究带来了重大突破，并且加深了对光与物质相互作用的理解。这项研究还在世界范围掀起了对于原子、分子和光学物理领域的讨论热潮，特别是为研究极低温下稀原子蒸气的量子行为开辟了新的道路。

激光冷却及捕获原子的技术被应用于基础的高分辨率光谱学（fundamental high resolution spectroscopy）和超低温碰撞（ultracold collisions）的研究，还可以应用于原子钟、原子干涉仪、原子激光器的制造。与1997年诺贝尔物理学奖有关的最新应用是首次观察到稀原子气体中的玻色-爱因斯坦凝聚，以及第一台原子激光器的初步开发。

1. 历史背景

开普勒在试图向人们解释为什么彗星在进入太阳系时它的尾部总是指向背离太阳的方向，早在1619年他就提出光是有力学作用的。麦克斯韦和爱因斯坦分别在1873年和1917年对所谓的“光压强”（light pressure）理论做出了重要贡献。爱因斯坦特别指出，原子吸收或放出光子会改变自身的线性动量。

光子动量发挥重要作用的第一个实验是康普顿效应，也就是X光对电子的散射。1923年，威尔逊首次在他的云室中观测到了反冲电子。1933年，O.R. Frisch首次对反冲电子进行了实验观测。1966年，P.P.Sorokin和F.P.Schäfer发明了可调谐染料激光器（tunable dye laser），为进一步探索所谓的“光的力学性质”创造了一个杰出的工具（the mechanical properties of light had been created.）。

20世纪70年代，苏联的V.S. Letokhov等物理学家以及美国贝尔实验室（位于Holmdel NJ）的A. Ashkin团队在光子对中性原子的作用基础上做出了重要的理论和实验成果。他们提出的方法之一是弯曲并聚焦原子束，并在聚焦的激光束中捕获原子。这项工作还促进了早期“光镊”（optical tweezers）技术的发展，它可以用来操控活细胞以及其他微小物体。

T.W. Hänsch 和 A.L. Schawlow 在1975年首次提出了冷却反向传播激光束中的中性原子。与此同时，D.J. Wineland 和 H.G. Dehmelt也提出了一种类似的方法，用于离子阱中的离子。Hänsch和Schawlow提出用两束失谐到略低于原子共振跃迁频率的反向传播的激光束来冷却中性原子。

由于多普勒效应会使向其中一束激光束运动的原子产生共振，这些原子将被来自同一方向且能量低于共振能量的光子吸收而系统地减速。由于发射发生在随机方向，因此它只导致较小的各向同性速度分布。因此，向激光器运动的原子将失去速度并有效地得到冷却。速度分量朝向其他激光器的原子也会以相同的方式冷却。在理想的二能级原子气体中，可以很容易地计算出极限温度，即所谓的多普勒极限（Doppler limit），对于钠的共振跃迁，该极限温度为0.24mK。

在冷却并捕获中性原子中一个重要的步骤是产生一束足够慢的原子束，使它能在光子-原子相互作用区域内停留足够长的时间。1980年左右人们曾多次尝试用光子来减慢原子束的速度，而困难在于，随着自由原子速度的减慢，激光的频率必须符合多普勒频移后的共振频率，这是由Letokhov提出的，被称为“frequency chirping”。

相反， NIST（National Institute of Standards andTechnology，Gaithersburg， USA）的W.D. Phillips和他的同事提出了一种方案，其中原子束沿着变化的螺线管磁场的轴传播，以便多普勒和塞曼位移（ Zeeman shifts）进行补偿，使共振跃迁频率恒定（Zeeman slower）。

Phillips在1985年使用了这项技术，能够阻止原子束并将原子限制在磁阱中（1983年由麻省理工学院的D.E. Pritchard提出）。同样在1985年，J.L.Hall及其同事在的NIST（Boulder，USA）演示了通过frequency chirping完全停止中性原子束。

2. 光学粘胶

1984年，朱棣文和他在贝尔实验室的同事（其中包括Ashkin和J.E. Bjorkholm）开始着手实现Hänsch和Schawlow的多普勒冷却方案。他们使用一束钠原子束，首先经过frequency-chirped激光预冷减速。关闭激光后，钠原子会移动到六束两两成对的正交反向传播激光束的交叉点（图1）。



图1.用于多普勒冷却实验的真空室、交叉激光束和原子束示意图。激光束垂直及水平进入超高压窗口 1985年，他们的团队报道了将在0.2cm3中有个10^5个钠原子的稀蒸气冷却到约0.2mK的温度。

交叉区域中原子的运动类似于粘性介质中的运动，在最初发表时(Phys. Rev. Lett. 55, 48 (1985))被命名为“光学黏团（optical molasses）”。由于原子没有被捕获，而是在重力场中缓慢下落，因此冷原子云的寿命是有限的，在最初的实验中为0.1s。这种效应实际上可以在冷却激光在可变的时间间隔内关闭时通过监测荧光的衰减来估测算交叉区域中原子的温度。该温度测量结果与钠的理论多普勒极限0.24 mK一致。光学黏团实验的进一步发展最终使原子密度增加至10^5/cm3，观察时间增加到了1秒。

为了使在光学黏团中移动的激光冷却中性原子变得真正有用，需要一个光学陷阱。这个陷阱必须比1985年菲利普斯使用的磁阱或由Letokhov和 Ashkin提出的，在1986年由朱棣文及其同事在光学黏团实验中实现的聚焦激光束陷阱更深。1987年，Pritchard和朱棣文听从J.Dalibard的建议，开发了后来的主要实验方法，磁光阱（MOT）。它仍然使用三对反向传播的激光束，但是光具有圆偏振态，并与弱磁场相结合。

根据J.R.Zacharias和Hänsch的建议，朱棣文还开发了一种用于高精度光谱学的原子喷泉。被冷却和捕获的原子在引力场中向上发射，在微波腔中，慢原子被连续的两个微波脉冲共振激发，其轨迹有转折点。对原子束用两个激发区域的技术由N.F. Ramsey引领，并应用在最精确的原子钟上。目前这些时钟的精度是，而基于原子喷泉的新设计预计将使精度提升到原来的100倍。

3. 亚多普勒冷却

与此同时，W.D.Phillips和他在NIST的团队研究了在光学黏团中缓慢移动的中性钠原子冷云。由于理论和实验之间存在一些小的分歧，朱棣文也注意到了这一点，他们开发了更精确地测量不同冷却条件下云层温度的方法。特别是，他们采用了一种技术来确定下落原子到达光学黏团区域下方的一组探测激光束的运动时间。1988年初，他们发现原子的温度约为40µK，远低于预测的多普勒极限240µK（Phys.Rev.Lett.61169（1988））。他们还发现，最低温度是在完全不符合理论多普勒极限的情况下达到的。

 

图2.将运动时间数据与两种不同温度下钠原子组合方式的计算进行比较。阴影区域表示计算中的误差范围。显然，云的温度已达到40µK，是多普勒极限的六分之一。

朱棣文和C.Cohen Tannoudji在巴黎高等师范学院的实验很快证实了Philips的发现是真实的。巴黎的J.Dalibard和Cohen Tannoudji以及斯坦福团队立即对这种差异做出了解释。多普勒冷却和多普勒极限理论假设原子具有简单的二能级能谱，而真实的钠原子在基态和激发态都有几个塞曼子能级。

基态子能级可以被光泵浦，即激光可以将钠原子转移到不同的子能级分布中，并产生新的冷却机制。数量分布具体取决于激光偏振，这种偏振在光学黏团内一个光波长的距离上快速变化。因此，新的冷却机制被称为极化梯度冷却（polarization gradient cooling）。

Philips最初发现的特殊机制被命名为Sisyphus （西西弗斯）cooling，与希腊神话中的人物类似，他被判处推一块沉重的石头上山，但每当到达顶峰后却发现石头滚了下来，于是不得不重新开始。原子总是在失去动能，就像在上坡运动一样，再被激光场光泵送回山谷，然后再次上坡，循环往复。

在1989年访问巴黎期间，Philips与巴黎高等师范学院的团队进行了合作。他们表明中性铯原子可以冷却到2.5µK。而对于多普勒冷却来说，其他一些类型的激光冷却也都存在一个基本的温度下限。这个所谓的反冲极限对应着以相当于单个光子的反冲速度运动的原子云的温度。

对于钠原子，反冲温度为2.4µK，而对于铯原子，反冲温度低至0.2µK。因此，上面引用的实验结果表明通过对无序原子云进行极化梯度冷却，可以达到大约十倍于反冲极限的温度。最近一项研究成果表明，人们已经能够在所谓的光学晶格（optical lattice）中捕获冷却的原子。

这种晶格具有光学波长量级的间距，并且间距大小可以通过改变激光束的配置来调整。由于原子在晶格格位比在其他的位置能更有效地得到冷却，因此可以达到无序状态下温度的一半左右。比方说铯已经能够达到1.1µK。

4. 亚反冲冷却

在多普勒冷却和偏振梯度冷却中，单光子的反冲的能量都有限制的原因是，在这两种冷却方法中都有一个连续循环的吸收和发射过程。每一个过程都会给原子一个很小但不可忽略的反冲能量。如果几乎静止的原子可以免于吸收-发射循环，理论上在稀原子蒸气中可以达到次反冲极限温度。早在20世纪70年代，比萨大学就发现了这样一种机制，强激光场中的原子可以被光泵入非吸收相干叠加态，即所谓的暗态（dark state）。

C.Cohen Tannoudji与巴黎高等师范学院的几位同事，其中包括E.Arimondo（来自比萨）和A.Aspect，在一系列实验中展示了如何利用多普勒效应确保只有最冷的原子最终处于暗态。这种被称为“速度选择相干布居数囚禁”（velocity selective coherent population trapping -VSCPT）的方法首次应用于1988年的一维（Phys.Rev.Lett.61826（1988）），1994年的二维（Phys.Rev.Letter.731915（1994）），1995年的三维（Phys-Rev.Lett754194（1995））冷却当中。

所有三个实验都使用亚稳态激发的氦原子He，其多普勒极限为23µK，反冲极限为4µK。早在1988年，Cohen Tannoudji及他的同事就使用了两束反向传播的激光束，一维冷却到2µK的温度，比反冲极限低一半。该实验在20世纪90年代初发展到二维冷却。

1994年，Cohen Tannoudji与Aspect和一组新的同事一起，使用两对相互正交且反向传播的激光束，二维冷却到250nK，大约比反冲极限温度低16倍。最后，在1995年，该实验发展到了有三组激光束，并达到了三维冷却。最低温度现在变成了180nK，比反冲极限低22倍（图3）。尽管其他团体也参与了次反冲冷却的开发，尤其是朱棣文及其合作者，但Cohen Tannoudji的工作可以说是开辟了次反推激光冷却的新领域。



图3.三维次反冲冷却中原子速度分布的剖面图。单光子反冲速度为9.2cm/s，而冷却原子的扩散速度约为2cm/s。

5. 应用

在过去的几十年间，激光冷却与捕获中性原子领域得到了巨大进展。三位诺贝尔奖获得者及其合作者与许多其他科学家共同为物理学多个分支领域的重要发展奠定了基础。将被捕获原子的稀蒸气冷却到迄今为止仅在凝聚态物质系统的孤立部分中才能达到的温度的方法的发展，使得建造用于精确计时的原子钟成为可能，例如与空间导航和太阳系探索有关的原子钟。

激光冷却的另一个应用是原子干涉仪的开发，其中慢原子的德布罗意波长用于超高精度的干涉测量，例如重力加速度。原子光学的精密仪器也为原子光刻开辟了道路。原子束可用于在表面上形成纳米结构，例如电子元件。最近在稀原子气体中观察到的玻色-爱因斯坦凝聚也与这篇文章中描述的激光冷却和捕获方面的开创性工作有关。

审核编辑：刘清