激光冷卻與捕陷原子的方法_1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)介紹

1、激光冷卻與捕陷原子的方法1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)介紹3王義遒(北京大學(xué)電子學(xué)系,北京100871摘要介紹了1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)工作激光冷卻與捕陷原子的方法,其中主要有光學(xué)粘團(tuán)、亞多普勒冷卻、亞反沖冷卻、激光原子阱等.敘述了它們的物理原理、重要意義及其應(yīng)用.關(guān)鍵詞激光冷卻,激光,捕陷,光學(xué)粘團(tuán)31997-12-1收到初稿,1997-12-9修回LASER COOL ING METH ODS AN D AT OM TRAPPINGAN INTR OD UCTION T O THE 1997N OBE L PRIZE IN PH YSICSWang Y iqiu(Depart ment of

2、Elect ronics ,Peking U niversity ,Beijing 100871Abstract The work of the winners of the 1997Nobel Prize in Physics is briefly reviewed.The principles of the methods for laser cooling and trapping of atoms ,such as optical molasses ,sub -Doppler cooling ,sub 2recoil cooling ,laser trapping of atoms e

3、tc ,are described.Their significance and possible applications are presented.K ey w ords laser cooling ,laser trapping ,optical molasses1997年10月15日,瑞典皇家科學(xué)院宣布,1997年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予49歲的美國(guó)斯坦福大學(xué)朱棣文(Stenven Chu 教授,69歲的法蘭西學(xué)院和巴黎高等師范學(xué)院C.C.達(dá)諾基(Claud Cohen Tannoudji 教授,48歲的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的W.D.菲利浦斯博士(Willian D.Phillips ,以

4、表彰他們?cè)诎l(fā)展原子的激光冷卻和捕陷方法上所作出的杰出貢獻(xiàn).什么是原子的激光冷卻與捕陷?這種方法在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展上有何重大的意義?本文試圖對(duì)此作簡(jiǎn)要說(shuō)明.有興趣的讀者可以閱讀一些綜述文章1和其他參考文獻(xiàn).1重大意義物理學(xué)的基本任務(wù)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)及其最一般的運(yùn)動(dòng)和變化的規(guī)律.要開(kāi)展研究,就要把研究對(duì)象拿在手,進(jìn)行仔細(xì)的觀察和測(cè)量.對(duì)原子和分子來(lái)說(shuō),這簡(jiǎn)直不可能.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,室溫下均以1100m/s (4000km/h 的速率運(yùn)動(dòng),即使降溫到3K (-270,它們?nèi)砸?10m/s (400km/h 的速率運(yùn)動(dòng).這樣的高速粒子如過(guò)眼煙

5、云,很難觀察,測(cè)量也必然帶來(lái)嚴(yán)重誤差.而且在降溫時(shí),一般原子會(huì)凝結(jié)成液體和固體,這時(shí)原子間有強(qiáng)烈的相互作用,其結(jié)構(gòu)和基本性能都將發(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,又使它們保持相對(duì)獨(dú)立,很少相互作用,這是物理學(xué)家的一個(gè)夢(mèng)想,也是物理學(xué)上的一大難題.激光冷卻與捕陷原子技術(shù)的發(fā)明使這個(gè)難題基本解決.現(xiàn)在人們已可使原子溫度降到10-10K量級(jí)而仍保持氣體狀態(tài).這是人們操控物質(zhì)粒子的極大成就.激光冷卻與捕陷方法開(kāi)創(chuàng)了原子分子物理和光與物質(zhì)粒子相互作用領(lǐng)域的新的可能性,使測(cè)量精度大大提高.其實(shí)例之一是原子鐘.現(xiàn)在的時(shí)間單位秒是由銫原子頻率基準(zhǔn)來(lái)體現(xiàn)的.由于原子高速運(yùn)動(dòng)所引起的譜

6、線的多普勒頻移和增寬、碰撞頻移和增寬以及渡越增寬(決定于原子與輻射場(chǎng)相互作用時(shí)間,使復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)頻率和時(shí)間(即精確測(cè)定銫原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂值的誤差一般1×10-13.現(xiàn)在利用激光冷卻和捕陷原子方法做成的原子噴泉,已使頻率基準(zhǔn)準(zhǔn)確度達(dá)到10-15數(shù)量級(jí)2,將來(lái)可望達(dá)到10-16.這是原子測(cè)量的光輝成就,對(duì)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論、引力波等物理理論,開(kāi)展精密定位、導(dǎo)航和深空探測(cè)等應(yīng)用具有重要意義.物質(zhì)粒子的德布羅意波長(zhǎng)在室溫下一般很小,難以呈現(xiàn)它的波動(dòng)性;但在k的低溫下,粒子平均動(dòng)量極小,德布羅意波長(zhǎng)可達(dá)到和可見(jiàn)光波長(zhǎng)相比或更長(zhǎng),粒子就會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)性.這時(shí)就可使原子束呈現(xiàn)普通光束所具有的反射、聚焦、

7、衍射、干涉等現(xiàn)象,從而開(kāi)辟了“原子光學(xué)”的新領(lǐng)域.利用低速原子構(gòu)建的原子干涉儀,可使重力加速度g值的測(cè)量精確度達(dá)到10-10數(shù)量級(jí),還可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的微細(xì)加工,開(kāi)發(fā)原子印刷和刻蝕的新工藝,對(duì)未來(lái)微電子學(xué)的發(fā)展將帶來(lái)深遠(yuǎn)影響.當(dāng)原子冷卻到足夠低的溫度時(shí),原子的德布羅意波長(zhǎng)大于它們之間的平均距離,原子群會(huì)進(jìn)入一種特殊的狀態(tài),稱(chēng)為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚.這時(shí)所有的原子都處在能量最低的量子態(tài),原子之間互相相干.在稀薄氣體中,這種玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的原子間相互作用極弱,因而可以對(duì)其特性進(jìn)行精密的研究.目前對(duì)這種狀態(tài)有些什么樣的優(yōu)良特性和應(yīng)用前景尚不十分明確,但人們利用激光冷卻和捕陷已實(shí)現(xiàn)了這種狀態(tài)3.1997

8、年初,人們更成功地把原子一個(gè)個(gè)地從玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)中取出來(lái),形成相干的原子束,這好比激光束中的光子,因而稱(chēng)為原子激光4.人們已預(yù)期可用原子激光做成精度更高的原子鐘.它的進(jìn)一步的用途尚在探索之中.可以肯定,這一新物質(zhì)狀態(tài)將給科學(xué)技術(shù)帶來(lái)廣闊的前景.2光學(xué)粘團(tuán)激光冷卻依靠光對(duì)原子的機(jī)械作用力.差不多在一個(gè)世紀(jì)之前,物理學(xué)家就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到光對(duì)實(shí)物粒子有這種作用了,這就是光壓.正是它使慧星尾巴永遠(yuǎn)背向太陽(yáng).但是,光對(duì)原子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的人為控制卻只是在激光問(wèn)世以后.1975年,亨斯(Hansch和肖洛(Shawalow提出了用兩束互相對(duì)射的激光冷卻中性原子的建議.設(shè)想一原子沿x方向以速度v運(yùn)動(dòng),激光束

9、以-x方向迎面射向原子.原子會(huì)吸收激光光子,但這種吸收有共振作用,即光頻率等于原子本征頻率0時(shí)吸收幾率最大.由于多普勒效應(yīng),原子感受到的激光頻率為=(1+ v/c,c為光速.因?yàn)関c,原子以最大幾率吸收的光頻率應(yīng)為=0(1-v/c,即光頻率應(yīng)調(diào)到負(fù)失諧<0處.光子帶有動(dòng)量p=h/c, h為普朗克常數(shù).原子吸收光子后獲得其動(dòng)量,在設(shè)定情況下,光子動(dòng)量與原子動(dòng)量反向,原子將損失動(dòng)量而減速.原子吸收光子后將自發(fā)輻射釋放熒光光子,此過(guò)程是各向同性的.一般原子每秒可吸收發(fā)射上千萬(wàn)個(gè)光子,每次吸收激光光子是定向的,發(fā)射熒光光子是無(wú)規(guī)則的(其平均動(dòng)量變化為零,原子就會(huì)迅速減速而冷卻(k T=m v2,

10、k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度.這種冷卻稱(chēng)為多普勒冷卻,冷卻力稱(chēng)為耗散力或自發(fā)輻射力.由于每秒吸收發(fā)射次數(shù)很多,這種減速力是很大的,對(duì)鈉原子的589nm 的共振光而言,其減速效果相當(dāng)于十萬(wàn)倍的重力加速度!若原子沿x軸作一維無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng),速度有大有小,有正有負(fù),用方向相對(duì)的兩束負(fù)失諧的激光照射,則原子優(yōu)先吸收迎面來(lái)的激光光子,從而降低速度達(dá)到冷卻.圖1顯示這種情況下原子所受的力,可見(jiàn)力的方向總是與速度方向相反,因而是阻尼力,原子速度就會(huì)趨于零. 圖1多普勒冷卻機(jī)制(a一個(gè)原子在沿兩束負(fù)失諧為的對(duì)射激光駐波場(chǎng)中運(yùn)動(dòng);(b低激光強(qiáng)度時(shí),由于激光負(fù)失諧,原子感受到來(lái)自反方向的平均作用力,這種靜摩擦力可以冷

11、卻原子.速度為零時(shí)摩擦力曲線斜率等于摩擦系數(shù)把一維情況擴(kuò)展到三維,從上下左右前后有6束激光射向原子,會(huì)發(fā)生什么情況呢?為此,1985年在貝耳實(shí)驗(yàn)室的朱棣文小組做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖2.他們用6束激光照射到從原子束上減速下來(lái)的鈉原子團(tuán)上,測(cè)量了6束激光交匯處冷卻下來(lái)的原子團(tuán)的溫度,結(jié)果為240K.顯然原子速度并未冷卻到零,它們?nèi)栽谧魑⑷醯牡珔s是可觀的運(yùn)動(dòng).這一結(jié)果并非意外,實(shí)際上原子溫度不可能冷卻到零.原因是原子吸收光子損失動(dòng)量后還會(huì)發(fā)射光子而得到一無(wú)規(guī)的反沖動(dòng)量.這發(fā)射的光子還可能被鄰近原子吸收而使它又得到一無(wú)規(guī)動(dòng)量.在6束激光交匯區(qū),原子和光子不斷吸收發(fā)射,交換動(dòng)量,處于互相膠著的狀態(tài).它們分別

12、作類(lèi)似于布朗運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)行走,從一處擴(kuò)散到別處.朱棣文把這種原子光子的膠著狀態(tài)稱(chēng)為光學(xué)粘團(tuán)(op2 tical molasses,因?yàn)樗q如一團(tuán)糖漿,糖分子在其中作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而無(wú)法逃脫.不太復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)物理理論可以計(jì)算出光學(xué)粘團(tuán)中這種吸收冷卻和無(wú)規(guī)發(fā)射加熱所達(dá)到平衡時(shí)的最低溫度.當(dāng)負(fù)失諧量(=0-等于原子共振譜線的半寬度時(shí),k T min= /2,為譜線的自然寬度.這個(gè)最低冷卻溫度T min稱(chēng)為多普勒冷卻極限.對(duì)實(shí)驗(yàn)中常用的23Na,87Rb,133Cs和4Ne原子而言,T min分別為240,144,125和23K,朱棣文小組繼激光減速原子束(包括W.Phillips和J. Hall兩組的工作之后

13、,第一次實(shí)現(xiàn)了氣體原子的激光冷卻,為此后的研究工作開(kāi)辟了誘人的 前景,大大推動(dòng)了此領(lǐng)域的研究.圖2帶有正交激光束和脈沖原子束的真空反應(yīng)室原理圖(原子束由一10ns雙倍頻的YA G激光蒸發(fā)一固態(tài)鈉薄片產(chǎn)生.液氮冷卻的隔板是一有效的低溫泵,反應(yīng)室的真空度2×10-8Pa3亞多普勒冷卻朱棣文的光學(xué)粘團(tuán)實(shí)驗(yàn)引起了科學(xué)家的興趣,許多人重復(fù)他的工作.1987年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局菲利浦斯小組重復(fù)了他的試驗(yàn),測(cè)得的溫度竟低達(dá)約40K,即僅為多普勒極限的1/6.這一結(jié)果是驚人的,為了檢驗(yàn)他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)無(wú)誤,他們采用了3種測(cè)溫度方法,其中有后來(lái)被此領(lǐng)域科學(xué)家廣泛采用的精確的飛行時(shí)間法.該方法是把光學(xué)粘團(tuán)

14、的激光束關(guān)斷,讓原子團(tuán)在重力場(chǎng)中自由下落,在一定距離處設(shè)一探測(cè)激光束,根據(jù)下落原子發(fā)出的熒光判定接受原子的多少.溫度使原子速度分散,根據(jù)不同時(shí)間接受到的原子的多少以確定原子的速度分布,從而推出溫度.所有這些方法都測(cè)得實(shí)驗(yàn)中的原子粘團(tuán)溫度約為40K.確定無(wú)疑的結(jié)果使C.C.達(dá)諾基和朱棣文等重新思索多普勒冷卻極限理論的正確性.他們幾乎同時(shí)認(rèn)識(shí)到,這一理論過(guò)于簡(jiǎn)單,它是基于原子只有兩個(gè)能級(jí)(一個(gè)基態(tài)和一個(gè)激發(fā)態(tài)之上的.實(shí)際上,實(shí)驗(yàn)中所用原子,如鈉、銫等,基態(tài)都有兩個(gè)以上能級(jí).在一定的偏振光作用下,原子會(huì)自動(dòng)集中到某一子能級(jí).這種現(xiàn)象稱(chēng)為光抽運(yùn)效應(yīng).光波的電矢量方向決定激光的偏振方向.可以想象,在光學(xué)

15、粘霧6束激光交匯處,光的偏振狀態(tài)不是整齊有序,而是隨地點(diǎn)而變化的,即具有“偏振梯度”.若在一定偏振光作用下原子傾向于落在能量低的能級(jí),則隨著原子的移動(dòng)其所感受的光場(chǎng)偏振變化就意味著它在光場(chǎng)中的勢(shì)能有所增加,而這只能靠降低其動(dòng)能來(lái)得到補(bǔ)償.這樣原子在運(yùn)動(dòng)中將喪失動(dòng)能而減速冷卻.此后,原子又會(huì)在光作用下激發(fā),而下落時(shí)又將處于最低能態(tài),在以后的移動(dòng)中又進(jìn)一步喪失動(dòng)能.如此往復(fù),原子一次次在光勢(shì)能場(chǎng)中爬坡、激發(fā),下落到最低能態(tài),如同古希臘神話中西西弗斯(Sisyphus被罰推石上山,到達(dá)山頂后又滾下,如此周而復(fù)始,能量大損.所以這種機(jī)制又稱(chēng)西西弗斯冷卻.圖3是一種一維偏振梯度的特例:原子兩個(gè)能級(jí)的能量

16、隨光場(chǎng)偏振狀況不同而變動(dòng)(這實(shí)際上是能級(jí)“光頻移”的變動(dòng),原子從最低能量態(tài)移動(dòng)時(shí)總是沿勢(shì)能曲線爬坡,遇光激發(fā)后又抽運(yùn)到最低能態(tài),如此往復(fù).這種機(jī)制使已經(jīng)多普勒冷卻的原子進(jìn)一步冷卻,其極限溫度與激光的強(qiáng)度和頻率失諧量有關(guān),原則上可以達(dá)到與吸收和發(fā)射一個(gè)光子所帶的反沖動(dòng)量相對(duì)應(yīng)的最低值,即k T=(h2/mc2.這個(gè)最低溫度稱(chēng)為反沖極限.對(duì)鈉原子,T min為214K;對(duì)銫原子則為012K.除了偏振梯度冷卻以外,還發(fā)現(xiàn)了另外一些亞多普勒冷卻機(jī)制,它們都利用了基態(tài)多能級(jí)結(jié)構(gòu)、光抽運(yùn)、光頻移、磁共振等效應(yīng).這些新機(jī)制的發(fā)現(xiàn),使激光冷卻原子技術(shù)更豐富多樣.4亞反沖冷卻上述原子冷卻機(jī)制都包含了光子的吸收和

17、發(fā)射,因而和交換光子動(dòng)量相聯(lián)系,其冷卻溫度受反沖極限所限制.1988年,C.C.達(dá)諾基與其同事發(fā)明了一種繞過(guò)這種極限的冷卻方法,稱(chēng)為速度選擇相干布居數(shù)捕陷法(VSCPT,其原理示于圖3. 這里以相反方向作圓偏振的光圖3西西弗斯冷卻機(jī)制(原子在激光偏振場(chǎng)中沿勢(shì)能曲線爬坡,到達(dá)勢(shì)能最高點(diǎn)處又被光抽運(yùn)到最低能態(tài).平均地說(shuō),原子爬坡幾率比下坡幾率大,原子就會(huì)損失動(dòng)能,從而速度降低.在如圖所示的這種情況,原子損失動(dòng)能最大,因?yàn)樵舆\(yùn)動(dòng)1/4波長(zhǎng)所需時(shí)間剛好等于光抽運(yùn)時(shí)間p(+,-,以同一頻率從相反方向照射原子.原子基態(tài)有3個(gè)簡(jiǎn)并能級(jí),在圓偏振光作用下, g+,g-能級(jí)可以與激發(fā)態(tài)e0耦合,雙光子受激輻射

18、過(guò)程在這里起重要作用,原子可以從g+態(tài)吸收-光子,并通過(guò)受激發(fā)射+光子而過(guò)渡到g-態(tài),反之亦然.這種過(guò)程雖可使運(yùn)動(dòng)原子損失兩個(gè)光子能量,但由于正反方向有相等幾率卻不能使原子減速.但是,原子在激發(fā)后還可能通過(guò)自發(fā)輻射散射熒光光子,還是能使原子減速而冷卻.當(dāng)原子速度接近于零度時(shí),g+和g-態(tài)可通過(guò)同時(shí)吸收+和-光而耦合處于相干疊加態(tài),這時(shí)原子反而不再吸收光子,也不再發(fā)射熒光,稱(chēng)為處于“暗態(tài)”.這樣,v=0的原子將長(zhǎng)留此暗態(tài).因此,一旦原子減速到接近于零,就捕集于此相干疊加態(tài),原子在此態(tài)積累.C.C.達(dá)諾基小組利用此法于1988年把亞穩(wěn)態(tài)氦原子一維冷卻到2K,不僅遠(yuǎn)低于多普勒冷卻極限,而且也僅為反沖

19、極限4K 的一半.嚴(yán)格地說(shuō),VSCPT 法僅是一種把速度為零的原子選擇出來(lái)加以捕集的方法,但它可使冷卻溫度低于反沖極限,因而十分誘人.巴黎這個(gè)研究組于1994年又對(duì)氦原子實(shí)現(xiàn)了二維VSCPT 冷卻,得到溫度為250n K.1995年又實(shí)現(xiàn)了三維冷卻,溫度低至180n K 5. 圖4速度選擇相干布居數(shù)捕陷法(VSCPT 原理(a 兩束對(duì)射的+和-偏振激光和4He 原子作用,發(fā)生23s 1-23p 1躍遷;(b 原子的塞曼子能級(jí)和一些Clebsch -G ordan 系數(shù).由于e 0g 0躍遷是禁戒的,幾次熒光循環(huán)躍遷后所有的原子泵浦到g +和g -態(tài),這兩個(gè)能級(jí)的原子只能耦合到e 0態(tài),這樣一個(gè)

20、近三能級(jí)組態(tài)就形成了若如圖4所示的原子能級(jí)中兩個(gè)能級(jí)有能量差,且同時(shí)能與一個(gè)激發(fā)態(tài)實(shí)施光耦合,則利用類(lèi)似上述速度選擇相干布居數(shù)捕陷法可實(shí)現(xiàn)拉曼冷卻.此時(shí),兩束對(duì)射的冷卻激光束的頻率差小于兩個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差,則多普勒效應(yīng)使速度為正向的原子以吸收-x 方向的激光而激發(fā),受激發(fā)射的光子則加入到+x 方向的激光,從而使原子喪失兩個(gè)光子的動(dòng)量而減速.把兩束有頻差的激光方向反轉(zhuǎn),則對(duì)帶-v 速度的原子起作用.此時(shí)原子已從原來(lái)基態(tài)一個(gè)子能級(jí)轉(zhuǎn)到另一子能級(jí),為了繼續(xù)發(fā)生作用,用一抽運(yùn)光束使原子回到原來(lái)子能級(jí),這時(shí)原子速度已改變.為了有效減速,激光頻率應(yīng)作調(diào)整,以使與多普勒頻移合拍.這樣,拉曼冷卻采用一連串的

21、頻率和持續(xù)時(shí)間不斷變化的拉曼光脈沖和抽運(yùn)光脈沖相間的激光序列.如上述速度為零的原子則不再與激光作用.朱棣文用這種方法在斯坦福大學(xué)先后對(duì)鈉原子實(shí)現(xiàn)了一維、二維和三維冷卻,其所得溫度分別為反沖極限的0125倍、114倍和5倍6.C.C.達(dá)諾基的小組則在巴黎高等師范學(xué)院將銫原子冷卻到了218n K 的低溫,僅為反沖極限的1/707.這是目前激光冷卻的最低溫度.速度選擇相干布居數(shù)囚禁的方法是捕集速度為零的原子,其最終溫度極限決定于相互作用時(shí)間,因而沒(méi)有明確界限.朱棣文等曾利用鈉原子噴泉方法,選擇捕集到速度范圍極窄的一群原子,其相應(yīng)溫度僅為24p K.5激光原子阱激光對(duì)原子的機(jī)械作用,除上述耗散力以外,

22、還有一種偶極力.這種力的本質(zhì)如同磁鐵吸針的磁力.針在磁鐵作用下誘導(dǎo)出極性,其近磁鐵一頭極性與磁頭相反,離磁鐵一頭極性與其相同.在磁鐵的不均勻磁場(chǎng)作用下,吸力大于斥力,針就被磁鐵吸引.在光場(chǎng)作用下,原子也會(huì)產(chǎn)生極性感應(yīng)偶極矩,它可使原子吸引到光強(qiáng)最強(qiáng)處.是吸收還是排斥,取決于激光頻率是低于還是高于原子共振頻率.這種現(xiàn)象也可用原子能級(jí)的能量在光場(chǎng)中的移動(dòng)光頻移來(lái)解釋.若光頻率負(fù)失諧,則原子基態(tài)能級(jí)隨光強(qiáng)度增加而向能量低處移動(dòng);反之,若為正失諧,則光強(qiáng)越大,基態(tài)能量亦越高.移動(dòng)量與光強(qiáng)成正比.因此,當(dāng)一束負(fù)失諧的高斯激光束通過(guò)原子氣體時(shí),原子就會(huì)自發(fā)向光腰處匯聚,因?yàn)楣庋行奶幑鈴?qiáng)最強(qiáng),原子在光場(chǎng)中

23、勢(shì)能最低,這就形成了激光原子阱.同時(shí),若有一束負(fù)失諧的駐波激光束通過(guò)原子,原子會(huì)聚集到波腹處.但是,對(duì)實(shí)際激光束,這種勢(shì)阱深度很淺,動(dòng)能較高的原子就可以逸出阱外.若以溫度來(lái)度量,則這種阱深一般在m K 量級(jí),甚至更低.朱棣文等曾在激光冷卻的光學(xué)粘團(tuán)中加一束高斯激光束,把低溫原子捕陷于光腰上,成功地展示了激光阱的作用.許多原子(如堿金屬原子帶有磁矩,可用不均勻靜磁場(chǎng)捕陷原子 , 菲利浦斯等人曾成功 地實(shí)現(xiàn)了靜磁原子阱 . 但這種阱的勢(shì)能深度也 不大 ,只能囚禁低速原子 . 為了克服這個(gè)困難 , 巴黎高等師范學(xué)院 C. C. 達(dá)洛基小組的達(dá)利巴 (Dalibard 提出了一種磁光阱的建議 . 這種

24、阱把 激光和靜磁場(chǎng)對(duì)帶磁矩的原子的作用有機(jī)地結(jié) 合起來(lái) ,可以得到幾百 m K 的阱深 ,因而具有實(shí) 用性 . 1987 年 , 朱棣文和 Pritchard 合作成功地 對(duì)預(yù)先用激光減速的鈉原子實(shí)現(xiàn)了磁光阱 . 1990 年 , 科羅拉多大學(xué)的 Wieman 竟能在氣室 學(xué)粘團(tuán)的設(shè)想曾給予了積極評(píng)價(jià) . 他們的獲獎(jiǎng) 對(duì)增進(jìn)我國(guó)開(kāi)展激光冷卻與捕陷原子工作將會(huì) 帶來(lái)積極影響 . 致謝 作者感謝聶玉昕 、 杜祥琬和 物理 編輯 部提供的部分資料 . 參 1 (1987 ,36 ; C. N. Cohen - Tannoudji , W. D. Plillips , Physics Today ,

25、No. 10 (1990 ,33 ; S. Chu , Science , 253 (1991 ,861 ; S. Chu , Scientif ic A merican , No. 2 (1992 ,49 ; G. B. Lubkin , Physics Today , No. 1 (1996 ,22 ; 考 文 獻(xiàn) W. D. Plillips , H. J . Metealf , Scientif ic A merican , No. 3 中用磁光阱直接把低速原子捕集并冷卻下來(lái) . 這個(gè)實(shí)驗(yàn)大大簡(jiǎn)化了激光冷卻與捕陷原子的技 術(shù) ,使這種技術(shù)得以廣泛地進(jìn)入激光與原子分 子物理實(shí)驗(yàn)室 ,成為強(qiáng)有力的研究手段 . 我國(guó) 70 年代末 ,王育竹小組在中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 ( 簡(jiǎn)稱(chēng)上海光機(jī)所 率 先開(kāi)展了激光冷卻原子的研究 ,并在 80 年代末 得到了鈉原子束一維冷卻溫度 60 K 的好結(jié) 果 . 北京大學(xué)小組從 90 年代起開(kāi)展了以原子噴 泉頻標(biāo)為目標(biāo)的激光冷卻原子工作 . 1996 年北 京大學(xué)和上海光機(jī)所小組分別實(shí)現(xiàn)了銫原子和 鈉原子的磁光阱 . 1997 年北京大學(xué)小組進(jìn)一步 實(shí)現(xiàn)了光學(xué)粘團(tuán) ,得到了 10 K 的銫冷原子團(tuán) . 上海光機(jī)所小組在原子干涉上也取得了成績(jī) . 這兩個(gè)小組與 3 位諾貝爾