激光冷却和捕获原子_1997年诺贝尔物理奖介绍.pdf

年第期 物理通报 发展 中的物理学 激光冷却和捕获原子 年诺贝尔物理奖介绍 郑奕玲 清华大学现代应用物理系 目硬二尸 泌 年月 日瑞典皇家科学院决定把 年诺贝尔物理奖颁发给美国加州斯坦福大学 的朱棣文教授 法国巴黎的法兰西 学院和高等师范学院的克洛德 科恩一 塔诺季 一 教授和美国国家标准 技术院的威廉 菲利普斯 博 士 以表彰他们在发展用激光冷却和捕获原子的方 法方面所作的贡献 朱棣文 克洛德 科恩一塔诺季和威廉 菲利 普斯在激光冷却和捕获原子领域的责献意味着在 这个领域里不管是在理论上还是在实验上都出现 了突破 并导致对光和物质之间的相互作用有更深 的理解他们的工作在世界范围内引起了原子 分 子和光物理学界的强烈响应 并由此打开了研究极 低温下稀薄原子燕气的量子行为的新道路 激光冷 却和捕获技术可用于商分辨率光谱学和超冷极撞 的研究 并且在建造原子钟 原子干涉仪和原子激 光 器以及 研制原 子 光 学 和 原子刻印 术 的仪器等方面有着广泛的应用前 景新近的应用成果是首次在稀薄原子气体中观察 到了玻色 一 爱因斯坦凝聚和研制出了第一台雏形 的原子激光器 朱棣文教授是华裔科学家 年生于美国密 苏里州的圣路易斯 美国公民他父亲朱汝瑾博士 是台湾中央研究院院士朱棣文于年毕业于 美国加州大学伯克利分校 获物理学博士学位 并 留校做了两年博士 后研 究后加入贝尔实验室 年任贝尔实验室量子电子学研究部主任 年应聘任斯坦福大学物理学教授 年任斯坦福 大学物理系主任他因开发了激光冷却和激光捕获 的技术获年费萨尔国王国际科学奖同年被 选为美国科学院院士年月初 朱棣文教授 应邀出席清华大学高等研究中心成立大会 并在 世纪基础科学的展望研讨会上作了 原子分子的激 光俘获的应用 的学术演讲 朱棣文教授获得诺贝 尔奖的喜讯很快传遍了神州大地他是第五位得此 殊荣的华裔科学家他表示今后将加强与中国科学 界的合作 我们衷心祝愿这一合作能取得丰硕成 果二 下面仅就激光冷却和俘获原子技术的发展作 一简单的介绍 历史背景 早在年 当开普勒试图解释为什么彗星 进入太阳系 彗尾总是背着太阳时 曾经提出 光可 能有机械效应麦克斯韦在年 爱因斯坦在 年都对所谓的 光压 理论作过重要贡献 特 别是 爱因斯坦证明了 原子吸收和发射光子后 其 动会发生改变有光子动参与的过程首推康普 顿效应 即射线受电子的散射最早观察到反冲 电子的是年威尔逊用云室作出的第 一次在实验中观察到反冲原子的是弗利青 年年索洛金等人发明的可调染 料激光器 为进一步探讨 光的机械特性 提供了优 越的手段 年代列托植夫 以及其他苏 联物理学家和美国荷尔德尔贝尔实验 室阿斯金小组的物理学家在理论上和 实验上对光子与中性原子的相互作用进行了重要 的早期工作 其中有一项是他们建议用聚焦激光束 使原子束弯折和聚焦 从而达到捕获原子 的目的 他们的工作导致了 光学镊子 的发展 光学摄子可 用于操纵活细胞和其它微小物体 汉斯和肖洛 一 年首先建议用相向传播的激光束使中性 原子冷却 与此同时 外兰德和德 梅尔特对于离子陷阱中的离子也 提出过类似的建议汉斯和肖洛的方法是 把激光 束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率 利用多普勒 一一 年第期物理通很 发展申岭物理学 原理就可使中性原子冷却这是因为 迎面而来的 激光在原子 看来 频率会有所增丸这瘾病雨 多普勒效应如果调谐适当 激光束的视在频率正 好与原子的谐振频率一致 原子就会吸收光子而沿 激光束的方向减小动量与此同时 原子又会 因跃 迁而发射同样的光子 不过它发射的光子是朝着四 面八方的 因此 实际效果是原子的动量每碰撞一 次就减小一点 直至最低值动量越小 速度也越 小因此所谓激光冷却 实际上就是在激光的作用 下使原子减速这种冷却方法称为多普勒冷却 对 于理想的双能级原子的气体 可以很容易地计算出 极限温度 这就叫多普勒极限 对钠的谐振跃迁 这 一极限温度为 要冷却和捕获中性原子首先要使这些原子的 速度降到足够地慢 这祥它们就能有充分长的时间 停留在光 一 原子相互作用的区域里 年前后 人们进行了一些用光子使原子束减速的尝试 困难 在于当自由原子的速度降下来之后 激光的频率也 必须跟随多普勒频移改变怎样才能做到这一点 呢列托霍夫提出了所谓的 徽光颇率扫描法气 美 国盖泽斯堡国家标准技术院的威廉 菲利普斯及 其同事则开发了另一种方法 让原子束洽变化的螺 线管磁场的轴线方向传播 以便多普勒绷移和塞受 效应互相补偿 从而使谐振跃迁撅率保持不变 这 就是所谓的塞曼减速法菲利普斯利用这一技术在 年成功地阻滞了原子束 并把原子抓获在礴阱 中 他用的磁阱是年的普利查德 提出的也是 在 年 薄 尔 德 美国国家标准技术院的粗尔 及其同事演示了用激光颇率扫描法使中性 原子束完全停止下来 光学粘胶 年朱棣文及其在新泽西州荷尔德尔贝尔 实验室的同事 其中有阿斯金和布约克霍姆 动手实现汉斯和肖洛提出的多普勒冷 却他们先用频率扫描的预冷激光使一束钠原子慢 了下来然后关掉激光 把钠原子移入六束两两相 对的正交激光的交汇处年该小组报道了把在 体积为 中的个中性钠原子的稀薄燕气 冷却到大约的温度 原子在激光束交汇处区域的运动 很像在假想 中的粘性媒质中的运动 于是在朱棣文等人最初的 论文中 取名为 光 一一 学粘胶 由于原子并未被捕获 而是在引力场中缓 食下落 宙此 冷原子云的寿命是有限的在最纂的 实验中寿命为 这一效应实际上可舟于计 原子在激光交汇处的温度方法是把傲光以一定的 时间间隔关掉 观测荧光的衰减他们测出的结果 与钠的理论多普勒极限值相符光学粘胶 实验的进一步发展做到 了让原子的密度增加为 观察时间增加为 要使经过激光冷却后在光学粘胶中运动的中 性原子宾正变得有用 偏耍有一个陷阱这样的陷 阱应该比非利普斯年的磁箔阱或 招咚布由朱 棣文及其同事在光学粘胶实脸中实观的案焦漱光 束陷阱更深年 普利杏妇丈 七 而和朱棣 文根据达利巴德 班的建议 招三对相向 传播的侧偏振激光束 并和勃磁场组惫在一起 构 成磁光瘩阱这祥的陷饼为后来的各种寒毅提供了 基本的手段 一 朱棣文根据扎查利亚斯 画 盯 和汉 斯的建议 还发展了一种技术 叫原子硕泉 可用午 高分辨率光谱学 卜将这些经过冷却并被摘获的原子 在重力场中向上喷出 抛射到顶点时镇好在徽波腔 内 如图所示 这些原子被柑继的两束徽彼脉冲 激发原子束经两道傲发区的技术是拉姆齐瓦 刃首创的 一直用在最栩确扮尿子钟上 现 在这类疚子钟的精确度已经达到 一 瓦淞根据原 子喷泉的新设计预计可以把原子钟的精礴度再提 高 嘴 吸产么口场 图原子喷泉示意图两两相向 相互正交的六束 激光组成光学枯胶 再加两个线圈产生磁场 形成破光陷 阱 把注人的经过冷却的原子捕获在陷阱中 将透些原子 向上喷出在抛射曲线的顶点 徽波脉冲将衅从孙能 态激发到另一个能态 由此可以极其精确地测量原子能 态 年第期 物理通报发展中的物理学 亚多普勒冷却 与此同时 菲利普斯和他在美国国家标准技术 院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠 原子冷云团他们被理论与实验之间徽小的不符所 激励 创造了精确测量处于不同冷却条件的云团温 度的各种方法他们采用一种技术测量原子从光学 粘胶区域下落到探测激光束处的飞行时间年 初 他们发现 原子温度约为 泌 比预计的多普 勒极限 礴低得多 他们还发现 最低的温度是 在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到 的 朱棣文后来转到斯坦福大学 他所带的几个研 究小组以及科息一 塔诺季在巴黎高等师范学院的 小组所做的实验 不久就证实了菲利普斯的发现是 真实的斯坦福小组和巴黎的小组几乎同时而且立 刻对这一理论和实验之间的分歧作出了解释 原来 多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有 简单的二能级谱可是实际上真正的钠原子都具有 好儿个塞曼子能级 不但在基态 而且在激发态也 是如此 基态子能级可以用光泵方法激发 也就是 说 激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同 分布 并引起新的冷却机制这种布居分布的细节 依赖子激光的偏振态 而在光学粘胶中 在光学波 长量级的距离里偏振态会发生快速的变化因此 人 们为这种新的冷却机制取了一个名称 叫 偏振 梯 度冷却 菲利普斯最早发现的特殊机制则取 了 另外一个名称 叫 希苏伐斯冷却 希苏伐斯是希 腊神话中的一个角色 传说他被判处把重石头推上 山坡 而当推到山顶上时 重石又滚下山 子是他只 能 从头开始 原子总在失去动能 就好象是上山一 样 经激光场又被光激发回到 山谷 如此周而复始 反复进行 不断冷却降温人们把低于多普勒极限 的过程称为亚多普勒冷却 年菲利普斯访问巴黎 他与高等师范学院 的小组合作 共同证明了中性艳原子可以冷却到么 详 他们发现 和多普勒冷却一样 其它类型的激 光冷却也有相应的极限以从单个光子反冲而得的 速度运动的一 团原子所相当的温度就 叫反冲极限 对于钠原子 反冲极限温度为 而艳原子刚 低至 详 上述实验结果似乎就表示 了 用偏振 梯度冷却有可能使一群无规则的原子云达到十倍 于反冲极限的温度在新近的发展中 人们做到了 把冷却了的原子拘捕在所谓光格架的地方这种格 架是以光的波长童级作为间隔 靠改变激光束的位 形加以调整 由于原子处在格架位置上要比处在任 意位置能够更有效地冷却 从而可以达到无规状态 下 所能达到的温度的一半 例如 对于艳已经达到 了 泌 亚反冲冷却 单个光子的反冲能量之所以会有一个极限值 是因为不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却 两者 都会发生连续的吸收和发射的循环过程每个过程 都会给原子以微小但却不能忽略不计的反冲能 如果原子几乎是静止的 免去了吸收 发 射循 环 原则上就可以在稀薄原子蒸气中达到比反冲冷 却 极限还要低的温度 这就叫亚反冲冷却 早在 年代 比萨大学就已经发现 可以用光泵方法使放 在强激光场中的原子激发到无吸收的相干益加状 态 即所谓的 暗态 科恩一塔诺季和巴黎高等师 范学 院的一些同 事 其 中有阿 里孟 多 来 自比萨和阿斯派克特 他们在一系列的实验中证明了利用多普勒效应可 以使最冷的原子最终达到暗态这个方法就叫速度 选择相干布居陷阱法 年 科思 一塔诺季及其同事用这种方法 使氮原子冷却 他们用两组相向传播的激光束 证 明了一维冷却可达 拌 的温度 比理论预计的反 冲极限还小一倍年代初这一实验发展到二维冷 却年科思一塔诺季和阿斯派克特及另一个 小组用两对相互正交的并相向传播的激光束 证