激光冷却原子气体的物理机制和超冷原子物理

激光冷却原子气体的物理机制和超冷原子物理

今年是国际物理年。全世界人民恭敬地纪念伟大的科学家爱因斯坦。相对论和量子力学是二十世纪物理学发展的两大基石,这是爱因斯坦对人类做出的卓越贡献。他创造性的提出了光量子的概念,打破经典力学的框架,建立了相对论力学。爱因斯坦以他非凡的洞察力,提出了很多科学的预言,把我们引进一个奇妙的世界,使人们终生为之奋斗。尽管已有无数的事实证明了相对论和量子理论的正确性,但人们仍在努力以更高的精确度验证其正确性,追求和探索自然界更深层次的奥秘。人们通过天文观测、空间探测技术、高精度原子钟的研制,期盼着亲身体验相对论所展示的奇妙世界。激光冷却气体原子从一个方面为验证相对论和实现爱因斯坦的科学预言提供了必要的物理手段。利用超冷原子气体研制的高稳定度和准确度的原子钟可在更高精确度上测量引力红移、原子结构常数的演化和光的各向异性。原子干涉仪为引力波探测提供了新的可能性。激光冷却气体原子是实现玻色-爱因斯坦凝聚必不可少的深度冷却过程。本文将回顾激光冷却气体原子研究二十年来的发展,展望它在二十一世纪科学发展中的重要作用。激光冷却气体原子技术及其在科学技术中的应用是近二十年来发展十分迅速的研究领域。1997年度的诺贝尔物理学奖颁发给了美国斯坦福大学的朱棣文(StevenChu)、美国国家标准与技术研究所的菲利普斯(WilliamD.Phillips)和法国巴黎高等师范学院的科昂·唐努日(ClaudeN.Cohen-Tannoudji),表彰他们在激光冷却和捕陷气体原子研究中所做出的突出贡献。2002年度的诺贝尔物理学奖,授予美国科学家维曼(CarlE.Wieman)、康奈尔(EricA.Cornell)和德国科学家克特勒(Wolfgang.Ketterle),表彰他们在实现玻色-爱因斯坦凝聚工作中做出的突出贡献。近期两届诺贝尔物理奖均授予了同一领域的两项成果,说明这是一个极其重要和活跃的前沿研究领域,特别是这些研究结果为当今高新技术的发展打下了基础,并将对二十一世纪科学技术的发展带来深远的影响。人类在很久以前就认识到光具有压力,称光压。牛顿在观察星空时就发现彗星在宇宙间运动时,彗尾总是背向太阳。他认识到光有压力。在历史上很多的科学家曾进行过光压的实验,但只能观察到很微弱的现象。直至激光问世之后,光的辐射压力才有可能成为倍受关注的研究问题。激光是相干光,当相干光与原子共振时,原子吸收光子的截面很大,原子受到的光压就很大。实际上共振光压比重力大10万倍。因此,光的力学效应就是一个不可忽略的物理效应了。1976年汉斯(T.Hansch)和肖洛(A.Schawlow)以及瓦恩兰(D.Wineland)和德默尔特(H.Dehmelt)各自独立地提出了激光冷却气体原子的建议;其物理思想是建立在光与原子相互作用的过程中动量交换的基础上,通过动量交换形成光的辐射压力,从而控制原子的外部运动和降低原子运动的速度。多普勒冷却机制是基于原子在光场中运动时所产生的多普勒效应基础之上。假定一个原子处于弱的激光驻波场内,众所周知,激光驻波场是由两个相向传播的行波场构成,每一行波场均有一个平均辐射压力作用于原子上。若激光频率稍低于原子共振频率,当原子不动时,两个行波场作用于原子上的力大小相等,方向相反,原子受的合力为零。但当原子运动时,由于多普勒效应,将产生多普勒频移。对于与原子运动方向相反传播的光束,原子感受到的频率就更接近于共振频率,吸收光子的概率就大,因而光束作用于原子上的力大些;而对于与原子运动方向同向传播的光束,由于远离共振频率,原子吸收光子的概率小,光束作用于原子的力也小。由此,通过线性动量共振交换,运动原子就会受到一个与其运动方向相反的阻尼力的作用,原子运动速度减慢,原子气体的温度就下降,这就是多普勒冷却机制。多普勒冷却机制要求激光频率在原子共振谱线宽度之内,而随着原子减速多普勒频移减小,单一频率的激光就难以满足原子共振吸收的条件。科学家们想了多种办法,如扫描激光频率冷却、积分球冷却、序列脉冲或白光冷却和利用塞曼效应改变原子的共振频率等。其中塞曼冷却最方便最有效,塞曼减速器(ZeemanSlower)以及在此基础上发明的磁光阱(MOT,Magneto-opticaltrap)都是利用了塞曼冷却效应。实际上,原子所受的阻尼力是一个多次吸收光子动量和发射光子动量过程的平均。原子每吸收一个光子,就获得一个在光波传播方向上的动量,但原子每自发辐射一个光子,则获得一个在方向上和时间上都是随机的反冲动量,这导致了原子运动的动量起伏。相当于一个激光加热的过程。按照二能级原子模型的理论,当冷却的速率与加热的速率平衡时,就达到了冷却过程的极限温度,多普勒冷却的极限温度TD是由原子的自然线宽Γ所决定。其中,kB为玻尔兹曼常数,h为普朗克常数。对钠原子,极限温度为240μK;对铷原子为140μK;对铯原子为125μK。1985年,朱棣文进行的激光冷却实验是利用三对相互垂直的激光束进行的。在这种光场中,原子不仅因受粘滞力而被冷却,而且还受梯度力被囚禁于光束交汇区中。这种囚禁类似于微粒在粘稠的液体中作布朗运动的情况由于阻尼力的作用原子的运动速度很慢每扩散厘米需要1秒钟。如果没有光场的作用,原子扩散1厘米只需20毫秒。因此,将这种囚禁作用称为“光学粘胶”。实验测量得到钠原子气体的温度为240μK,测量的结果与理论预言相符合。1986年以后的激光冷却的实验结果使人们对多普勒冷却机制的温度极限产生了怀疑,美国国家标准与技术研究所和美国贝尔实验室都发现了实验结果与理论矛盾。发现在光学粘胶中,当失谐量δ(即激光频率与原子共振频率之差)越大,原子被囚禁的时间越长,原子气体的温度就越低。当存在小磁场时,光学粘胶就被破坏,尽管此时磁场所产生的塞曼移动比失谐量和自然线宽Г要小得多。1988年,他们采用飞行时间法测得钠原子的冷却温度为40μK,远低于多普勒极限240μK。斯坦福大学和法国巴黎高师研究小组分别对铯原子和亚稳态的氦原子进行测量,测得原子温度低于多普勒极限。1987年,上海光机所的研究小组在一维冷却钠原子的实验中也独立地发现钠原子温度为60μK,低于多普勒极限。这些结果一开始很难让人接受,但众多的实验事实使人们相信,多普勒冷却机制已被打破,必须用新的机制和新的理论来解释这些令人迷惑的结果。1988年,法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别独立地对极低温度的激光冷却现象提出了新的解释。他们解释的共同点是基于光抽运、光频移和激光偏振梯度等物理概念,并称之为“偏振梯度冷却机制”。所谓光抽运,是指原子在能级上的布居数在光场的作用下,被抽运并集聚在某个能态上。在多个子能级原子系统中,在光的作用下原子被抽运到某个子能级上。光抽运效应在低于多普勒冷却机制中起着非常重要的作用。1979年上海光机所的研究小组曾提出“利用光频移激光冷却气体原子”的设想。其基本物理思想与“偏振梯度冷却机制”基本相同,就是利用光抽运、光频移和原子的多能级三个物理效应冷却气体原子,并指出原子在空间上和时间上非均匀的电磁场中运动时受到偶极力的作用而被冷却。以碱金属原子为例来说明新的冷却机制。首先,碱金属原子基态存在多个简并子能级,光抽运的结果使原子在各基态子能级上重新分布并达到稳态,这种布居与激光的偏振有关;其次,由于交流斯塔克效应,导致原子基态子能级的移动,即光频移,其频移大小与光强、失谐量、偏振和振子强度有关;在三维的“光学粘胶”中不可避免地存在多光束的干涉,激光的偏振方向在一个波长距离内变化如图所示两束偏振方向相互垂直的同频率线偏振激光对射,由于光的干涉效应,沿着传播方向光的偏振按照左旋园偏振—线偏振—右旋园偏振—线偏振—左旋园偏振的规律以二分之一波长为周期交替。这样,如图1(b)所示,原子在基态各个子能级的布居数和子能级的光频移均与原子所处的空间位置有关,基态子能级的光频移也呈周期性交替。当原子静止时,布居数在波峰和波谷的分布是对称的。但当原子运动时,就被破坏了这种对称性,因而产生了原子需要爬坡以提高自己势能而受到阻尼力。关键的问题是,完成光抽运效应需要一定的时间,这段时间里原子运动到波峰,经光抽运又弛豫到波谷。与此同时原子发射了一个能量高的光子,即原子爬坡得到的势能,以发射光子的方式将能量散发出去,损耗了动能。当原子继续运动时,又重复同样的爬坡过程。就像希腊神话中的西西弗斯的故事(Sisyphus,堕入地狱的暴君,被罚推石上山,石近山顶却又滚下,再推再滚,循环不已),原子总是在爬坡,不断将部分动能转化成为势能,而又以发射光能的方式损耗了这部分能量,达到降低原子速度的目的。因此偏振梯度冷却也称为Sisyphus冷却。偏振梯度冷却极限温度同样决定于加热速率与冷却速率的平衡,在给定失谐量δ的条件下,光强愈低,温度愈低;在给定光强的条件下,失谐越大,温度愈低。因此,适当地选择失谐量和降低光强,极限温度可无限减小。其中,Ω是拉比频率,δ是失谐量。当然,使极限温度为零是不可能的,但这种冷却机制比多普勒冷却机制可达到低的多的温度,约几μK量级。科学家要挑战的另一个极限温度,即光子反冲极限TR,就是原子放出一个光子得到的反冲动量。对钠原子极限温度为2.4μK;对铷原子为0.37μK;对铯原子为0.2μK。为突破光子反冲极限温度,法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁(VSCPT,VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping)和拉曼跃迁冷却(RamanCooling)的冷却方案。VSCPT法是把速度为零的原子选择性捕获的一种办法,在Λ型三能级系统中,两个基态在双光子拉曼过程作用下处于相干叠加态,当速度近于零的原子进入这个“暗态”时,原子与光场脱耦,不再受光场的激发,因而被束缚于“暗态”。科昂·唐努日的研究小组在1988年利用速度选择相干布居数囚禁的方法把亚稳态的氦原子一维冷却到2μK,仅为反冲极限的一半。1994年他们又对氦原子实现了二维VSCPT冷却,得到250nK的冷原子;1995年又实现了三维冷却,温度为180nK。斯坦福大学的朱棣文小组用拉曼冷却方法把钠原子一维冷却到100nK,是反冲极限的1/10,他们还实现了二维和三维以及光阱中的拉曼冷却。法国小组优化了脉冲方案,将铯原子冷却到2.8nK,仅为反冲极限的1/70。另一种与激光冷却并行发展的冷却原子气体的方法是美国MIT大学的Hess在1986年提出的蒸发冷却的方法。它的冷却机制就像冷却一杯热咖啡一样,热的水蒸气逃逸出去,余下的咖啡能较快冷却下来。Kleppner等用射频诱导静磁阱中高温的原子从束缚态跃迁至非束缚态高温原子逃逸后剩下的原子经碰撞热平衡使温度下降连续地将射频由高至低扫频,在损失一定原子数的条件下,可以快速将磁阱中的原子气体温度降低。这是一个快速提高原子相空间密度以及降低温度的方法,成为获得BEC的常规手段。后来,在这个概念下,实现了光阱中的蒸发冷却,不仅实现了光阱中的BEC,也为人们攻克铯原子的BEC提供了必要的手段。激光冷却和捕陷气体原子研究已发展了20多年,在各国实验室中激光冷却和捕陷气体原子已成为获得超冷原子的典型方法和技术。但新的激光冷却机制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特别是微结构势阱中的激光冷却和囚禁气体原子(分子)技术的研究仍是当前研究的重点课题。激光冷却超冷原子不仅在科学实验中有重要学术价值,而且在高科技中也具有重大的应用前景。特别是对于玻色-爱因斯坦凝聚态研究、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪研制等。二十世纪初叶,热辐射的量子性质是一个倍受关注的科学问题。普朗克发现:物体热辐射的光谱分布可用辐射体发射能量的不连续性来解释,称为“量子”。爱因斯坦接受了“光量子”这个概念,发明了光电效应。为此他获得1921年度诺贝尔奖。1924年印度的物理学家玻色和爱因斯坦,从纯统计的观点,即把热辐射看成全同的光子气体,并服从某种统计规律(现在称为玻色统计),完全没有凭藉经典电动力学的结果,推导出普朗克热辐射光谱分布:1924年和1925年爱因斯坦先后发表了两篇文章,推广和发展了玻色子量子理论的物理图象。他推导出:若在体积为V的空间里有N个粒子,在每一能级上占有的粒子数分布为ni(εi),其中εi为本征能,gi为简并度,μ为化学势,T为温度,kB为玻尔兹曼常数。对理想玻色子气体,化学势μ≤0。在经典极限的条件下(即在高温条件下),若简并度为1,则ni<1,热运动的粒子避免积聚在一个量子态上。换句话说,在一个态上找到多于一个粒子的几率可以忽略,但总粒子数为N。现可将最低能态粒子数和激发态粒子数分开写为:这里N0≡g0/(e-u/kbT-1)是处于最低能态ε0=0的粒子数。上式可以进一步写为:g3/2(z)已经达到最大值,此时若继续降低温度,就不可能保持N0为小的数。也就是说,当温度T低于TC时,激发态的粒子数有最大值,这时可占据的激发态能级数极少,一个粒子不再可能占据一个能态,已无空间可容纳多余的粒子。所以,它们只能以相干方式相互重合,凝聚于最低能态上它的物理的意义是:当μ→0时,宏观数量的原子处于单个量子态上,已无法区分单个原子,量子态可用单一波函数来描述凝聚原子的量子态,这种现象称为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。利用原子的德布罗意波长λdB与温度的关系,从临界温度TC可导出相变的临界条件为:其中n为原子数密度,ρ为原子的相密度。这个条件要求:在德布罗意波长为尺度的三维空间内必须布居多于两个原子。它的物理意义十分明确,只有两个以上原子时,它们才会相干重合和叠加。为了实现玻色-爱因斯坦凝聚,就要求原子气体的温度极低,而原子的密度必须很高。对铷原子气体而言,要求温度达到nK量级,原子密度达到1012/cm3以上。由此可见,这是一个难度很高的物理学实验。为了实现玻色-爱因斯坦凝聚,美国克罗拉多大学的威曼(C.E.Wieman)小组使用了混合的冷却方法。首先在磁光阱中,利用激光冷却原子的技术冷却和捕获约107个原子,原子温度为20μK。这时去除激光,因为它已不可能进一步冷却原子和捕获更多原子。同时急剧地增加四极矩磁场,使原子的弹性碰撞速率增大约5倍。这时陷阱中存有4×106个原子,密度为2×1010/cm3,温度为90μK。然后开始蒸发冷却,用射频场来释放出高动能的原子,即将高动能原子在射频激发下,从束缚状态跃迁到非束缚状态从磁阱中逸出,而剩余的原子经过弹性碰撞重新在能态上布居。经蒸发冷却后磁陷阱中尚有2×104个原子,原子密度达到3×1012/cm3,原子气体温度达到170nK。这时已达到产生玻色-爱因斯坦凝聚的条件,突然间出现玻色-爱因斯坦凝聚现象。图2就是他们得到的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的图像:还没有形成时原子气体为高斯分布达到临界温度出现时原子气体为双高斯分布,中间的相空间密度迅速提高;温度更低(50nK)时,周围的热原子基本消失,只剩下纯粹的BEC凝聚体。在铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚实现后,美国赖斯大学物理系胡利特(J.I.Hulet)小组实现了锂原子的玻色-爱因斯坦凝聚。稍后,美国麻省理工学院克特勒(W.Ketterle)研究小组实现了钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚,并且得到了凝聚的原子数为5×106个的结果。从1995年玻色-爱因斯坦凝聚实现至今,国际上已经实现了所有碱金属原子(氢H、锂Li、钠Na、钾K、铷Rb、铯Cs)、惰性气体亚稳态的氦He原子、以及镱Yb原子和铬Cr原子的玻色-爱因斯坦凝聚。除了在不同的磁阱中进行射频蒸发之外,1999年Chapman小组还实现了纯光阱中的蒸发冷却得到了BEC,这个方法也成为后来攻克铯原子的BEC的实验手段。2002年3月,上海光机所的研究小组经过几年努力,实现了铷原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚体,使中国成为第11个拥有这种新物态的国家。2003年,台湾中正大学的研究小组在实验室获得了BEC。2004年,北京大学的研究小组也报导实现了铷原子的BEC。虽然BEC已经诞生了10年,但至今对任何一个实验室来说能实现玻色-爱因斯坦凝聚都仍然是一个挑战。玻色-爱因斯坦凝聚的实现具有重大的科学意义和潜在的应用价值。首先它证实了一个新物态的存在,这是用相干波函数描述的物态,为实验物理学家提供了独一无二的新介质,大大推动了原子光学的发展。利用物质波的相干性开拓了很多新的研究领域。BEC是一个相干物质波源,可用于进行原子激光的产生和放大研究。1997年1月,MIT的Ketterle小组在BEC的基础上成功实现了原子激光器。所谓原子激光器即相干原子束,是极近似于激光的相干原子波束。之后原子激光器研究发展也十分迅速,美国标准局Phillips小组和德国马克斯-普朗克研究所Haensch小组已研制出准连续和连续的原子激光器,获得了准直定向运动的相干原子束[45～47]。BEC对原子光学是一个极大的推动,对研究原子光学的一阶、二阶效应提供了手段。类比于非线性光学,开展了非线性原子光学的研究。原子波包的干涉、原子波包的四波混频和参量放大[50～52]和孤立子[53～55]等现象先后被观察到。其次,BEC的研究使人们更深刻的认识早已在凝聚态物理中的超流和超导问题。美国JILA的Cornell小组和巴黎高师的研究小组均通过转动BEC实现了BEC的涡旋态,验证了BEC的超流性质。MIT小组还实现了涡旋阵列,验证了量子流体的行为规则。而德国Haensch小组在光晶格中改变势垒深度观察原子波包的干涉花样,证实BEC从超流到Mott绝缘态的量子相变。BEC还提供了一个平台进行其他量子物理现象的研究。Feshbach共振效应可以改变原子间相互作用的符号和大小,利用Feshbach共振还可以导致类似于超新星的BEC爆炸。利用这个效应科学家研究了原子到分子转变过程。正是通过这项研究,科学家在研究原子气体的费米简并基础上,实现了费米子原子向费米子分子的转变,接着实现了费米子分子的凝聚体,最近在此基础上实现了强相互作用下费米子分子的涡旋和超流。玻色-爱因斯坦凝聚研究在应用技术方面也十分重要。已提出了很多新设想来改善精密测量的准确度,如原子物理常数测量,微重力测量和研制原子干涉仪和原子钟等。在量子信息科学中,玻色-爱因斯坦凝聚可用于光速减慢、光信息相干存储、量子信息传递和量子逻辑操作等利用的相干性可进行微结构的刻蚀研制微型电子回路等总之玻色爱因斯坦凝聚的实现为科学研究和高技术应用打开了一扇崭新的大门,众多的新事物等待人们去发掘。激光冷却气体原子使进一步提高原子钟性能成为可能。原子钟-原子频率标准给出了人类各种活动的时间尺度,它对科学技术的发展始终起着重要作用。利用热原子束研制的铯原子钟的准确度约在1×10-13,已无法进一步提高。科学家们一直期望获得近乎不动的原子来研制原子钟,因为原子钟的稳定度和准确度的改善,如一次多普勒效应、二次多普勒效应、原子的吸收线宽、碰撞效应等对频率稳定度和准确度的影响,均与原子的运动速度有关。当原子运动速度降低时,这些因素引起的频率变化和不稳定性均将大幅度减小。原子喷泉钟就是利用超冷原子束来提高原子钟准确度的重要途径。现有的铯原子钟是利用原子与微波场两次作用所产生的Ramsey干涉条纹来确定原子的跃迁频率,两次作用时间的间隔越长,干涉产生的线宽就越窄,原子钟的准确度就越高。利用热原子束,原子飞经两个场的时间约几十毫秒,线宽为几十赫兹,原子钟的准确度为10-13量级。在原子喷泉中利用激光冷却的慢原子,可使间隔时间延长到1秒,线宽近1赫兹。所谓原子喷泉就是将冷原子上抛,原子飞经微波腔后在重力作用下速度减到零,然后下落,再次经过微波腔,与微波场作用两次产生Ramsey干涉条纹。1991年法国巴黎天文台利用原子喷泉研制原子钟,上抛原子的高度为0.6米,线宽1赫兹,其频率准确度可达到5×10-16。但这已是技术的极限,若再提高一个量级,需建造近百米高的原子喷泉。目前的研究工作已转向在空间环境上进行实验,研制空间原子钟。由于空间实验室有一个良好的微重力环境,激光冷却气体原子可到更低的温度。因此选用更慢的原子,可获得更窄的Ramsey干涉条纹,同时可消除多项影响频率稳定度和准确度的物理因素。利用超冷原子制成的空间原子钟的稳定度和准确度有望优于10-17。近些年人们正研究利用量子光学新原理与激光冷却技术结合研制原子钟。如双光子过程可诱导介质的电磁感应透明现象、量子信息存储等。利用这个现象可提高探测信号的信噪比和压缩谱线宽度,研制相干布居数囚禁(CPT)原子钟或微波激射器(CPT-Maser)等新型原子钟。另一方面,由于激光冷却技术、超冷原子光谱、飞秒脉冲锁相技术的突破性发展,建立了飞秒光梳。从而建立了连接微波段和光波段电磁波的频率链,或称光频链。这项成就使得在光频段进一步提高测量原子分子光谱的精密度成为可能。利用光梳进行的频率比,其比对精度达到10-19。这样就为建立统一的微波频标和光频标系统,提供了基本条件。利用激光冷却技术研制光频标也取得重大进展。美国标准局和日本计量院利用囚禁于光势阱中的锶(Sr),获得了超窄光谱线和找到了“魔术”频率,使光频移达到最小。实际上找到了利用光频移效应补偿钟跃迁频率的移动,预期