原子的激光冷卻及陷俘研究

黃漢誠(chéng) 郭力菡 李孟軒

摘 要：基于相關(guān)文獻(xiàn)，回顧了原子的激光冷卻及陷俘的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展歷程;同時(shí)，對(duì)塞曼制冷和西西弗斯制冷技術(shù)原理進(jìn)行了總結(jié);最后，對(duì)于這些技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提出了研究展望。

關(guān)鍵詞：激光冷卻; 陷俘; 科學(xué)史; 技術(shù)原理

中圖分類(lèi)號(hào)：O41? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）1-196-001

17世紀(jì)初期，德國(guó)著名天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家—開(kāi)普勒提出彗星尾巴總是指向遠(yuǎn)離太陽(yáng)一端的原因可能是因?yàn)樘?yáng)光機(jī)械壓力的作用，這是光與物質(zhì)粒子之間相互作用的一個(gè)早期猜想。從此，人們迫切想了解這一規(guī)律的本質(zhì)，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始投入光與物質(zhì)粒子相互作用這一物理專(zhuān)題。兩百年以來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)程雖不顯著，但是給物理學(xué)界不斷帶來(lái)一些新的沖擊。進(jìn)入20世紀(jì)后，美國(guó)科學(xué)家康普頓通過(guò)研究x射線通過(guò)實(shí)物物質(zhì)時(shí)發(fā)生散射的實(shí)驗(yàn)證明了光子具有動(dòng)量。與此同時(shí)，一個(gè)新的猜想被提出，是否可以用光去減速原子呢？1929年，普林斯海姆提出通過(guò)反斯托克斯熒光對(duì)材料進(jìn)行制冷的設(shè)想，但遭到一些物理學(xué)家的強(qiáng)烈反對(duì)。其后，關(guān)于制冷方法是否違背熱力學(xué)基本原理的爭(zhēng)論持續(xù)了整整16年。1995年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室空間制冷技術(shù)研究組首次通過(guò)激光誘導(dǎo)反斯托克斯熒光在固體材料上成功地獲得了可被測(cè)量的制冷量。

1.塞曼制冷

上世紀(jì)70年代，激光制冷理論就在物理學(xué)界嶄露頭角，諾貝爾獎(jiǎng)得主亞瑟·阿什金在其1970年的“利用共振輻射壓力使原子束偏轉(zhuǎn)”文章中就提出：這次試驗(yàn)導(dǎo)致了用于捕獲原子的光勢(shì)阱的發(fā)現(xiàn)。基于他的文章，菲利普斯和梅特卡夫在1982年提出了塞曼頻移補(bǔ)償多普勒頻移，即由于原子的速度變小，速度和多普勒頻移成比例，因此，基于原子所觀測(cè)到的多普勒頻移顯著降低，從而使原子上觀測(cè)到的入射光頻率不等于原子共振頻率，不符合原子吸收光子的需求，以至于原子不能繼續(xù)吸收光子，導(dǎo)致持續(xù)性降速降溫失效。根據(jù)塞曼效應(yīng)，外磁場(chǎng)強(qiáng)度直接影響原子能級(jí)分裂距離，因此，就讓原子改變自身共振頻率以與觀測(cè)入射光頻率相等成為了可能。菲利普斯和梅特卡夫手工制造了一個(gè)分布不均勻的導(dǎo)線螺線管，利用整個(gè)螺旋管磁場(chǎng)強(qiáng)度遞減特征，進(jìn)一步控制共振頻率。在同一頻率下，光子被吸收時(shí)會(huì)起到阻礙原子定向運(yùn)動(dòng)的作用，從而使原子速度降低。

在這之后，菲利普斯和梅特卡夫設(shè)法成功地在一堆原子中選擇了速度較低的那一部分，氣體溫度大約為70mk。他們將減速之后的原子放置于由兩個(gè)反向電流流動(dòng)電圈所產(chǎn)生的非均勻磁場(chǎng)中，由于原子具有磁矩，所以它們依然受磁場(chǎng)的作用。他們首先將制冷之后速度低于100m/s的原子送入磁陷阱范圍內(nèi)，通過(guò)400毫秒的激光脈沖照射，使原子速度降低至幾米每秒，此時(shí)給兩個(gè)線圈通電，形成磁陷阱俘獲原子。值得一提的是，這樣的實(shí)驗(yàn)需要基于高真空環(huán)境才能更好地進(jìn)行，在當(dāng)時(shí)，菲利普斯和梅特卡夫在真空室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不過(guò)一秒鐘，磁陷阱中一半的原子就因?yàn)檎婵罩袣埩舻目諝夥肿佣蛔渤龃畔葳鍏^(qū)域;當(dāng)他們切換實(shí)驗(yàn)環(huán)境到高真空的時(shí)候，這個(gè)陷俘的半衰期得到了大幅度的提升，達(dá)到了1分鐘。

2.光學(xué)糖漿

光學(xué)糖漿實(shí)驗(yàn)是把從六個(gè)方向（x，-x，y，-y，z，-z）射來(lái)的激光匯集在一個(gè)非常小的區(qū)域內(nèi)，此時(shí)無(wú)論這個(gè)區(qū)域內(nèi)的原子向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都會(huì)吸收到這個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的光子，從而減速。首先提出光學(xué)糖漿這個(gè)概念的是美籍華裔物理學(xué)家朱棣文和霍爾伯格， 1984年他們利用啁啾制冷將減速的原子送進(jìn)了光學(xué)糖漿之中，根據(jù)這樣的實(shí)驗(yàn)，他們成功地將0.2立方厘米中105個(gè)鈉原子冷卻到大約240μK的低溫，也曾探測(cè)到185μK的溫度（略低于多普勒極限的理論溫度）。

雖然朱棣文和霍爾伯格的實(shí)驗(yàn)比較成功，但是光學(xué)糖漿中陷俘的原子個(gè)數(shù)依然十分有限（由于光學(xué)糖漿體積過(guò)小，勢(shì)阱也相對(duì)于之前的塞曼制冷較淺，因此，陷俘原子數(shù)量大約只有1000個(gè)原子左右），為了解決陷俘原子數(shù)量不足的問(wèn)題，朱棣文和霍爾伯格在1987年與學(xué)生拉布合作，在光學(xué)糖漿的周?chē)黾恿艘粋€(gè)由通電線圈組成的球形四極磁場(chǎng)，此時(shí)作用力就會(huì)開(kāi)始作用在原子上，指向陷俘中心，從而形成穩(wěn)定持久的原子陷阱。這次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)比較成功，因?yàn)楦倪M(jìn)后的實(shí)驗(yàn)成功地陷俘了107-108個(gè)原子。

3.打破多普勒極限

1988年，在第二次原子能大會(huì)期間打破多普勒極限的實(shí)驗(yàn)方法被提出了，分別是飛行時(shí)間實(shí)驗(yàn)法、噴泉實(shí)驗(yàn)法、陣雨實(shí)驗(yàn)法和釋放再捕獲實(shí)驗(yàn)法。其中，飛行時(shí)間實(shí)驗(yàn)法和釋放再捕獲實(shí)驗(yàn)法最為成功，分別將原子成功降溫到43±20μk和45±20μk[1]。

釋放再捕獲實(shí)驗(yàn)方法即為西西弗斯制冷，其原理是在磁場(chǎng)中原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級(jí)都能發(fā)生塞曼分裂。原子在外界光場(chǎng)照射下從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過(guò)程與原子的塞曼支能級(jí)的磁量子數(shù)有關(guān)[2]，也和光的偏振狀態(tài)有關(guān)。

在光學(xué)糖漿中，多束激光束的重疊會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)形成偏振光區(qū)域，因此原子會(huì)周期性地進(jìn)入不同偏振光的區(qū)域，從而使原子不斷從內(nèi)部能量低的狀態(tài)吸收原子動(dòng)能，從而使原子動(dòng)能不斷下降，溫度不斷下降。

4.研究展望

總的來(lái)說(shuō)，激光冷卻技術(shù)在現(xiàn)階段并不成熟，局限性主要在于其冷卻的空間很小，但是這一技術(shù)的發(fā)展對(duì)于現(xiàn)代科技的進(jìn)步無(wú)疑是有重大科學(xué)研究意義的。自上世紀(jì)后半段以來(lái)，原子冷凍技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如玻色愛(ài)因斯坦凝聚、超冷分子、大規(guī)模集成電路和空間遙感領(lǐng)域。

綜上所述，原子冷凍的技術(shù)前景廣闊，而且是物理界的一大熱門(mén)話題。在未來(lái)，該技術(shù)可能會(huì)是分子和原子物理學(xué)的重大突破口，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微觀物理學(xué)將會(huì)迎來(lái)下一個(gè)黃金時(shí)期。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔家?guī)X.激光冷卻與電子捕陷的發(fā)展線索[D]首都師范大學(xué)，2000

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