原创激光制冷技术回顾

 2008-6-14 00:12  6040 6 6 分类: 测试测量

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这篇文章转载自 http://www.qiji.cn/eprint/abs/3648.html

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作者：Jason Socrates Bardi 文，葛韶锋译
提交人：gesf （2008年4月05日周六）
类型：news article （Chinese）
引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/3648.html
注释：美国物理学会（APS: American Physics Society）把最早可以追溯到1893年的全部《物理学评论》杂志放到了网上（PROLA）。物理评论焦点（PR Focus）的里程碑（Landmark）专栏从这批文献中挑选最重要的文章，向大家推荐。(译文 1756字)
相关网址：http://focus.aps.org/story/v21/st11

图片中部的亮点是一团被俘获的冷却钠原子。研究者们从1978年开始使用激光冷却原子，当时最低能够达到40开尔文。而仅仅十年之后他们就达到这一记录的百万分之一，该技术的突飞猛进导致更精确原子钟的产生以及在极低温下观察到新的超冷物质凝聚态。

在上世纪的七八十年代，物理学家掌握了如何用激光将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。那个时期最重要的三篇文章都发表在《物理学评论快报》（PRL: Physical Review Letters）上，它们标志着这项技术发展过程中的关键。1978年，研究者们费尽九牛二虎之力才把离子冷却到40开尔文（Kelvin）以下，但是仅仅十年之后中性原子就可以被冷却到43微开（Microkelvin）了。但是冷却的基本原理并没有变：用激光作用在原子上使之减速。这项技术的改进使得物理学家们能够制备出一种称为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC: Bose-Einstein Condensate）的量子态物质以及现代高精度的原子钟（Atomic Clock），有两项诺贝尔奖与这一技术有关。

冷却原子最初是为了降低它们的热运动速度，以便精确地测量原子光谱（Atomic Spectra），后来则是为了改进原子钟。早在1978年Dave Wineland及其在国家标准技术局（NIST: National Institute of Standards and Technology）的同事们就按照文献［1］中提出的理论方案成功地用激光冷却了镁离子（Magnesium Ion）。

正如这个小组在《物理学评论杂志》的文章中所描述的那样，他们将离子限制在电磁势阱（Electromagnetic Trap）中，并用频率稍低于离子共振频率的激光轰击俘获的离子。在静止状态时，离子吸收频率等于其共振频率的光子；当离子迎着激光照射的方向运动时，由于多普勒效应（Doppler Effect）激光的频率会变大，当激光频率达到离子共振频率的时候，离子就会吸收光子。由于光子和离子的动量方向相反，离子吸收光子之后其运动速度会降低从而冷却，冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热效应所平衡，加热效应在有激光的时候总是存在的。在后来的几年中，加热效应——它源自原子每次随机地在各个方向辐射和吸收光子时产生的反冲效应——最终将对所谓的多普勒冷却技术能够将物质冷却到更低的温度给出难以突破的限制。

在波士顿的William Phillips怀着极大的兴趣读了Wineland等人的实验文章以及一篇理论文章［2］。他刚刚在麻省理工学院（MIT: Massachusetts Institute of Technology）做完一期博士后，并在国家标准技术局的实验室找到了一个职位。Phillips回忆说：“冷却离子的想法使我思考是否有可能冷却中性原子。”

在1982年Phillips和来自纽约石溪大学（Stony Brook University in New York）的Harold Metcalf发表了关于用激光冷却中性原子的第一篇文章。他们把钠原子（Sodium）送入一个长约六十厘米、开口处宽而越往前越窄的磁场中。钠原子通过磁场的时候迎头碰上频率与原子共振频率稍有差异的激光束，多普勒冷却效应使得原子束中粒子的运动速度被限制在较小的一个范围内。激光束同时也使得原子束整体运动的速度减慢。在减速的过程中，不断改变的磁场造成原子的共振频率也不断改变，从而使得在很长的一个距离上减速和冷却效应能够一直保持，最终的速度将达到仅为原有速度的百分之四十。这一现在被称为塞曼减速仪（Zeeman Slower）的装置已经成为原子束减速的标准工具。

激光冷却技术不断地被改进，一直到八十年代末，研究者们认为他们已经达到了可能达到的最低温度——这是根据多普勒冷却理论计算得到的——对于钠原子而言这一温度极限是二百四十微开。但是在1988年，一个由Phillips领导的小组偶然间发现在这之前三年发展出来的一项技术可以突破多普勒极限（Doppler Limit）。他们用三束相互垂直的激光束对来冷却钠原子，而且激光频率和其他实验室中使用的激光频率略有不同。他们发现，使用几项新的温度测量技术得到的结果显示钠原子的温度只有43微开。理论物理学家马上从理论上对这一出乎意料的冷却机制给予了解释，这一解释考虑了更多的原子态以及激光的极化效应；相比之下之前的冷却模型就非常简单化了。

在新理论的指导下，实验物理学家们获得了更低的温度并发展出了更多的冷却技术。Phillips的亚多普勒冷却技术（Sub-Doppler Cooling）是1995年制备出玻色-爱因斯坦凝聚——在这种新的凝聚态中，气态原子全部处于可能的最低能量状态上——的前奏。

原子钟技术同样从这一技术中受益。最新一代的原子钟使用的技术就直接脱胎于Phillips及其他人于八十年代发展出来的技术。Phillips因为发展出激光冷却技术而分享了1997年的诺贝尔奖；2001年的诺贝尔奖则授予首次实现玻色-爱因斯坦凝聚的物理学家。

参考
[1] D. J. Wineland and H. Dehmelt, Bull. Am. Phys. Soc. 20, 637 (1975); T. W. H?nsch and A. L. Schawlow, "Cooling of Gases by Laser Radiation," Opt. Commun. 13, 68 (1975).
[2] A. Ashkin, "Trapping of Atoms by Resonance Radiation Pressure," Phys. Rev. Lett. 40, 729 (1978).
[3] S. Chu et al., "Three-Dimensional Viscous Confinement and Cooling of Atoms by Resonance Radiation Pressure," Phys. Rev. Lett. 55, 48 (1985).

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