激光冷卻技術(shù)及其在玻色–愛(ài)因斯坦凝聚中的應(yīng)用

孫 廣，張曉變

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部，河南 平頂山 467000）

激光冷卻技術(shù)及其在玻色–愛(ài)因斯坦凝聚中的應(yīng)用

孫 廣，張曉變

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部，河南 平頂山 467000）

介紹了激光冷卻中性原子的原理，以及玻色–愛(ài)因斯坦凝聚的形成條件和實(shí)現(xiàn)途徑，說(shuō)明了激光冷卻技術(shù)在玻色–愛(ài)因斯坦凝聚中的應(yīng)用．

激光冷卻；玻色–愛(ài)因斯坦凝聚；光學(xué)粘團(tuán)

十多年來(lái)，一個(gè)新的研究領(lǐng)域——超冷原子物理學(xué)蓬勃發(fā)展起來(lái)．處于“超冷”狀態(tài)（溫度低于1 mK）的原子體系將遵從新的物理規(guī)律，其中特別有意義的是原子氣體會(huì)出現(xiàn)玻色–愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象（BEC）．2001年的諾貝爾物理獎(jiǎng)就授予了在BEC實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和性質(zhì)研究方面做出重要貢獻(xiàn)的英國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼和德國(guó)科學(xué)家克特勒．玻色–愛(ài)因斯坦凝聚是科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦在70年前預(yù)言的一種新物態(tài)[1]．這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)）．這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測(cè)量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景．本文介紹激光冷卻中性原子的原理，以及BEC的概念、形成條件和實(shí)現(xiàn)途徑，并說(shuō)明激光冷卻技術(shù)在BEC中的應(yīng)用．

1 激光冷卻中性原子技術(shù)

根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，在常溫下一切原子、分子都在高速運(yùn)動(dòng)．以空氣中的氫分子為例，室溫下平均以1100 m/s的速率運(yùn)動(dòng)，即使將溫度降到3 K，它仍以110 m/s的速率運(yùn)動(dòng)．這樣高速運(yùn)動(dòng)的粒子很難觀(guān)察，更難進(jìn)行精確測(cè)量．另外，隨著溫度的降低，眾多原子通常會(huì)凝結(jié)成液體或固體，從而原子間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，其結(jié)構(gòu)和基本性能將發(fā)生顯著變化．如何使原子分子的運(yùn)動(dòng)速度降至極小甚至接近于零，又使他們保持相對(duì)獨(dú)立（相互作用很弱），這是物理學(xué)上的一個(gè)難題[2]．當(dāng)溫度足夠低時(shí)，原子群會(huì)進(jìn)入一種特殊的狀態(tài)——BEC狀態(tài)．目前，人們利用激光冷卻和捕陷技術(shù)使原子群呈現(xiàn)了這種特殊狀態(tài)[3―5]．

激光冷卻中性原子的物理思想是Schawlow和Hansch在1975年提出的，他們認(rèn)為利用激光的輻射壓力可將原子氣體冷卻到極低的溫度[6]．到20世紀(jì)80年代中期，在原子束橫向冷卻實(shí)驗(yàn)中，原子束流達(dá)到了前所未有的強(qiáng)度，原子的運(yùn)動(dòng)也可以得到精確控制[7]．

用準(zhǔn)單色激光照射運(yùn)動(dòng)的原子，原子將損失動(dòng)量而減速，如圖1所示．設(shè)原子靜止時(shí)吸收光子的頻率為ν0，當(dāng)原子以速度V逆著激光運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，共振吸收光子的頻率是ν=ν0(1?V/c)，原子吸收光子后因自發(fā)輻射而回到初態(tài)，然后再吸收光子，再自發(fā)輻射……每次吸收一個(gè)光子，原子都在其運(yùn)動(dòng)方向上損失一部分動(dòng)量，而每次自發(fā)輻射所發(fā)射光子的方向卻是隨機(jī)的．由于吸收光子時(shí)原子在其運(yùn)動(dòng)方向的動(dòng)量減小，而輻射光子時(shí)原子動(dòng)量變化量的平均值為零，所以多次吸收–自發(fā)輻射之后原子被減速，這種冷卻機(jī)制稱(chēng)為“多普勒冷卻”[8]．

圖1 多普勒冷卻中的原子和光子

Schawlow和Hansch提出激光冷卻原子的思想以后，物理學(xué)家們花了近20年的時(shí)間來(lái)完善這項(xiàng)技術(shù)，已能將原子群的溫度從室溫冷卻至幾十nK，其間物理學(xué)家們克服了很多技術(shù)難題，其中最主要的是原子減速后多普勒頻移變小導(dǎo)致的原子吸收–自發(fā)輻射停止的問(wèn)題．解決原子吸收–自發(fā)輻射停止問(wèn)題的最有效方法之一是塞曼頻移補(bǔ)償法，1982年W. D. Phillips小組利用基于這一方法的“塞曼減速器”將鈉原子的溫度從室溫冷卻到了100 mK[9]．人們還采用一些新的冷卻機(jī)制（如偏振梯度冷卻、速度選擇相干布居捕陷冷卻、“蒸發(fā)”冷卻和速度選擇相干態(tài)粒子數(shù)囚禁等）一次次突破了原子溫度的極限[10]．

2 激冷卻技術(shù)在BEC中的應(yīng)用

根據(jù)量子力學(xué)中的德布羅意關(guān)系λ=h/p，粒子的運(yùn)動(dòng)速度越慢（溫度越低），其物質(zhì)波的波長(zhǎng)就越大．當(dāng)溫度足夠低時(shí)，原子的德布羅意波長(zhǎng)與原子之間的距離在同一數(shù)量級(jí)上，物質(zhì)波之間通過(guò)相互作用而達(dá)到完全相同的狀態(tài)，其性質(zhì)可由單個(gè)原子的波函數(shù)描述．當(dāng)溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象就消失了．BEC的實(shí)現(xiàn)首先要獲得超冷玻色原子氣體（一般采用磁光阱捕獲并初步冷卻足夠多的冷原子），接著用塞曼冷卻器減速，最后用“光學(xué)粘團(tuán)”法進(jìn)一步冷卻．“光學(xué)粘團(tuán)”法是激光冷卻技術(shù)中的一種重要方法．

首次實(shí)現(xiàn)堿金屬原子BEC實(shí)驗(yàn)的核心裝置是磁光阱，它是利用磁場(chǎng)和光場(chǎng)建立的一種原子陷阱[8]．在磁光阱中，方柱形的玻璃容器是原子氣室，上、下2個(gè)平行反向電流線(xiàn)圈產(chǎn)生非均勻磁場(chǎng)（零場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)正好在氣室中心），3對(duì)兩兩相對(duì)的激光束沿三個(gè)坐標(biāo)軸交匯在氣室中心．在磁場(chǎng)和激光的共同作用下，磁光阱氣室中的原子將被冷卻．磁光阱是所謂的“暗阱”（Dark Mot），可延長(zhǎng)原子在阱內(nèi)的停留時(shí)間，從而獲得足夠多的冷原子，以便接著采用“光學(xué)粘團(tuán)”法進(jìn)一步冷卻堿金屬原子從而獲得超冷玻色原子氣體．

在解決了一系列技術(shù)難題之后，堿金屬原子的BEC相繼實(shí)現(xiàn)．1995年7月美國(guó)科羅拉多州的一個(gè)研究組報(bào)道他們首次實(shí)現(xiàn)了87Rb原子的BEC，同年8月Rice大學(xué)的一個(gè)研究組報(bào)道實(shí)現(xiàn)了7Li原子的BEC，3個(gè)月后的11月，MIT的研究組報(bào)道實(shí)現(xiàn)了23Na原子的BEC，這3次實(shí)驗(yàn)都是使用激光冷卻和捕陷中性原子的關(guān)鍵技術(shù)完成的[11―12]．

綜上所述，在應(yīng)用激光冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)原子的BEC實(shí)驗(yàn)中，多普勒冷卻機(jī)制是激光冷卻中最基本的技術(shù)，采用“光學(xué)粘團(tuán)”法獲得冷卻原子樣品是實(shí)現(xiàn)BEC凝聚的關(guān)鍵．

[1] 陳麗璇，林仲金，嚴(yán)子浚．玻色―愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)的實(shí)現(xiàn)和研究進(jìn)展[J]．自然雜志，1997，19(6)：344―346．

[2] 茅奕．玻色―愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J]．現(xiàn)代物理知識(shí)，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] 李師群．激光冷卻和捕陷中性原子[J]．大學(xué)物理，1999，18(1)：1―5．

[5] 王義遒．原子的激光冷卻與捕陷(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] 陳徐宗，周小計(jì)，陳帥，等．物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)——玻色-愛(ài)因斯坦凝聚[J]．物理，2002，31(3)：141―145．

[8] 李師群．超冷原子物理學(xué)與原子光學(xué)[J]．物理與工程，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，王笑鵑．激光冷卻原子新機(jī)制[J]．物理，1993，22(1)：16―22．

[11] 謝世標(biāo)．玻色―愛(ài)因斯坦凝聚的研究[J]．廣西物理，2002，23(3)：47―50．

[12] 張雪粉，于迎輝，溫小明，等．玻色－愛(ài)因斯坦凝聚研究新進(jìn)展[J]．科技通報(bào)，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

孫廣（1970―），女，江蘇睢寧人，講師．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕