1997年諾貝爾物理學(xué)獎激光冷卻和陷俘原子

1、 1997 年諾貝爾物理學(xué)獎一一激光冷卻和陷俘原子朱棣文科恩-塔諾季菲利普斯1997 年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加州斯坦福大學(xué)的朱棣文(StephenChu,1948-),法國巴黎的法蘭西學(xué)院和高等師范學(xué)院的科恩一塔諾季(ClaudeCohen一 Tannoudji,1933)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的菲利普斯(WilliamD.Phillips,1948),以表彰他們在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻(xiàn)。激光冷卻和陷俘原子的研究，是當(dāng)代物理學(xué)的熱門課題，十幾年來成果不斷涌現(xiàn)，前景激動人心，形成了分子和原子物理學(xué)的一個重要突破口。操縱和控制單個原子一直是物理學(xué)家追求的目標(biāo)。固體和液體中的原

2、子處于密集狀態(tài)之中，分子和原子相互間靠得很近，聯(lián)系難以隔絕，氣體分子或原子則不斷地在作無規(guī)亂運(yùn)動，即使在室溫下空氣中的原子分子的速率也達(dá)到幾百 m/s。在這種快速運(yùn)動的狀態(tài)下，即使有儀器能直接進(jìn)行觀察，它們也會很快地就從視場中消失，因此難以對它們進(jìn)行研究。降低其溫度，可以使它們的速率減??；但是問題在于：氣體一經(jīng)冷卻，它就會先凝聚為液體，再凍結(jié)成固體。如果是在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠地低，避免凝聚和凍結(jié)。但即使低到-270C,還會有速率達(dá)到幾十 m/s 的分子原子，因?yàn)榉肿釉拥乃俾适前匆欢ǖ囊?guī)律分布的。接近絕對零度(273c 以下)時，速率才會大為降低。 當(dāng)溫度低到 10-6K,即 1

3、 微開(仙 K)時， 自由氫原子預(yù)計(jì)將以低于 25cm/s 的速率運(yùn)動?？墒窃鯓硬拍苓_(dá)到這樣低的溫度呢？朱棣文、科恩-塔諾季、菲利普斯以及其他許多物理學(xué)家開發(fā)了用激光把氣體冷卻到微開溫度范圍的各種方法，并且把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類型的“原子陷阱”中。在這里面，個別原子可以以極高的精確度得到研究，從而確定它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)在同一體積中陷俘越來越多的原子時，就組成了稀薄氣體，可以詳細(xì)研究其特性。這幾位諾貝爾獎獲得者所創(chuàng)造的這些新研究方法，為擴(kuò)大我們對輻射和物質(zhì)之間相互作用的知識作出了重要貢獻(xiàn)。特別是，他們打開了通向更深地了解氣體在低溫下的量子物理行為的道路。 這些方法有可能用于設(shè)計(jì)新型的原

4、子鐘， 其精確度比現(xiàn)在最精確的原子鐘(精確度達(dá)到了百萬億分之一)還要高百倍， 以應(yīng)用于太空航行和精確定位。 人們還開始了原子干涉儀和原子激光的研究。 原子干涉儀可以用于極其精確地測量引力， 而原子激光將來可能用于生產(chǎn)非常小的電子器件。 用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦， 導(dǎo)致了“光學(xué)銀子”的發(fā)展， 光子銀子可用于操縱活細(xì)胞和其它微小物體。1988 年1995 年在稀薄原子氣體中先后觀察到了一維、二維甚至三維的玻色-愛因斯坦凝聚-o 這一切都是從人們能夠用激光控制原子開始的。 下面我們就來對歷史作一點(diǎn)簡單的回顧并且對激光為什么能使原子冷卻作一點(diǎn)通俗的解釋。1 .歷史的回顧早在 1619 年，當(dāng)開普

5、勒試圖解釋為什么彗星進(jìn)入太陽系彗尾總是背著太陽時，他曾經(jīng)提出， 光可能有機(jī)械效應(yīng)。 麥克斯韋在 1873 年、 愛因斯坦在 1917 年都對所謂的“光壓”理論作過重要貢獻(xiàn)，特別是，愛因斯坦證明了，原子吸收和發(fā)射光子后，其動量會發(fā)生改變。有光子動量參與的過程首推康普頓效應(yīng)，即X 射線受電子的散射。最早觀察到反沖電子的是 1923 年 C.T.R.威耳遜用云室作出的。第一次在實(shí)驗(yàn)中觀察到反沖原子的是弗利胥(1933 年)。1966 年索洛金(P.Sorokin)等人發(fā)明的可調(diào)染料激光器，為進(jìn)一步探討“光的機(jī)械特性”提供了優(yōu)越的手段。20 世紀(jì) 70 年代列托霍夫(V.S.Letokhov)以及其他

6、蘇聯(lián)物理學(xué)家和美國荷爾德爾(Holmdel)貝爾實(shí)驗(yàn)室阿斯金(A.Ashkin)。小組的物理學(xué)家在理論上和實(shí)驗(yàn)上對光子與中性原子的相互作用進(jìn)行了重要的早期工作。其中有一項(xiàng)是他們建議用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦，從而達(dá)到陷俘原子的目的。他們的工作導(dǎo)致了“光學(xué)銀子”的發(fā)展，光學(xué)銀子可用于操縱活細(xì)胞和其它微小物體。漢胥(T.W.Hansch)和肖洛(A.L.Schawlow)1975 年首先建議用相向傳播的激光束使中性原子冷卻。與此同時，外蘭德(D.J.Wineland)和德默爾特(H.G.Dehmelt)對于離子陷阱中的離子也提出過類似的建議。漢斯和肖洛的方法是：把激光束調(diào)諧到略低于原子的諧振躍

7、遷頻率，利用多普勒原理就可使中性原子冷卻。2 .激光為什么能使原子減速？光可以看成是一束粒子流，這種粒子就叫光子。光子一般來說是沒有質(zhì)量的但是具有一定的動量。光子撞到原子上可以把它的動量轉(zhuǎn)移給那個原子。這種情況要發(fā)生，必須是光子有恰好的能量，或者可以這樣說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因?yàn)楣庾拥哪芰空扔诠獾念l率， 而光的頻率又決定光的顏色。 因此組成紅光的光子比起組成藍(lán)光的光子能量要低些。 是什么決定光子應(yīng)有多大能量才能對原子起作用呢？是原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（能級）。原子處于一定的能級狀態(tài)，能級的躍遷就是原子吸收和發(fā)射光子的過程。原子的能級是一定的，它吸收和發(fā)射光子的頻率也是一定的。如果正在行進(jìn)

8、中的原子被迎面而來的激光照射， 只要激光的頻率和原子的固有頻率一致， 就會引起原子的躍遷，原子會吸收迎面而來的光子而減小動量。與此同時，原子又會因躍遷而發(fā)射同樣的光子，不過它發(fā)射的光子是朝著四面八方的，因此，實(shí)際效果是原子的動量每碰撞一次就減小一點(diǎn)，直至最低值。動量和速度成正比，動量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，實(shí)際上就是在激光的作用下使原子減速。然而，實(shí)際上原子束是以一定的速度前進(jìn)的。迎面而來的激光在原子”看來”，頻率好象有所增大。 這就好比在高速行進(jìn)的火車上聽迎面開來的汽車的喇叭聲一樣， 你會覺得汽車是尖嘯而過，和平常大不相同。這就是所謂多普勒效應(yīng)。也就是說，對于火車上的觀察者來說，

9、 汽車?yán)嚷暤念l率是增大了。 運(yùn)動中的原子和迎面而來的激光也會有同樣的效應(yīng)。因此，只有適當(dāng)調(diào)低激光的頻率，使之正好適合運(yùn)動中的原子的固有頻率，就會使原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達(dá)到使原子減速的目的。因此這種冷卻的方法稱為多普勒冷卻。理論預(yù)計(jì)，對于鈉原子，多普勒冷卻的極限值為 240NK。用激光可以把各種原子冷卻，使之降到毫開量級的極低溫度，這就是 20 世紀(jì) 70 到 80 年代之間物理學(xué)家做的事情。1985 年朱棣文和他的同事在美國新澤西州荷爾德爾 （Holmdel） 的貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步用兩兩相對， 沿三個正交方向的六束激光使原子減速。 他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻

10、止了下來， 然后把鈉原子引進(jìn)六束激光的交匯處。 這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍微有些紅移。其效果就是不管鈉原子企圖向何方運(yùn)動， 都會遇上具有恰當(dāng)能量的光子， 并被推回到六束激光交匯的區(qū)域。在這個小區(qū)域里，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)。 由六束激光組成的阻尼機(jī)制就像某種粘稠的液體， 原子陷入其中會不斷降低速度。大家給這種機(jī)制起了一個綽號，叫“光學(xué)粘膠”。上述實(shí)驗(yàn)中原子只是被冷卻，并沒有被陷俘。重力會使它們在 1 秒鐘內(nèi)從光學(xué)粘膠中落下來。為了真正陷俘原子，就需要有一個陷阱。1987 年做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。它用六束激光，如上述排列，

11、再加上兩個磁性線圈，以便給出略微可變化的磁場， 具最小值處于激光束相交的區(qū)域。 由于磁場會對原子的特征能級起作用（這種作用叫做塞曼效應(yīng)），就會產(chǎn)生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。 這時原子雖然沒有真正被捉住， 但卻是被激光和磁場約束在一個很小的范圍里，從而可以在實(shí)驗(yàn)中加以研究或利用。朱棣文和他的小組在激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)中取得了突破性的進(jìn)展，引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。 繼他們之后有很多科學(xué)小組很快超過了他們， 但是他們開創(chuàng)的激光減速方法和光學(xué)粘膠的工作一直是其它成果的基礎(chǔ)。 他們自己也沒有止步， 繼續(xù)作出了新的努力。例如，原子噴泉（圖 971）就是一項(xiàng)有重大意義的實(shí)驗(yàn)。朱棣文小

12、組根據(jù)扎查利亞斯（J.R.Zacharias）和漢斯的建議，把幾種新的方法結(jié)合在一起，創(chuàng)造了一種可以用極高的精確度測量原子的光譜特性的裝置。他們把高度冷卻并被陷俘了的原子非常平緩地向上噴出， 在重力場中作拋射體運(yùn)動， 當(dāng)?shù)竭_(dá)頂點(diǎn)時原子正好處在微波腔內(nèi)，然后在重力場的作用下開始下落。這時，用相隔一定時間的兩束微波輻射脈沖對這些原子進(jìn)行探測。 如果微波脈沖的頻率經(jīng)過正確的調(diào)諧， 這兩個相繼的微波脈沖將使原子從一種量子態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種量子態(tài)。用這種方法朱棣文小組曾經(jīng)測量過原子兩個量子態(tài)之間的能量差， 第一次實(shí)驗(yàn)的分辨率就高達(dá)一千億分之二。把注入的經(jīng)邊冷卻的原子陷阱中，將舉些原子向上噴出，在拋射曲線的頂

13、點(diǎn)微借助原子噴泉可以對原子的能級進(jìn)行極為精確的測量，因此有可能在這一基礎(chǔ)上建立最精確的原子鐘。目前不止有 10 個科學(xué)集體正在試制這種原子鐘。與此同時，菲利普斯和他在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的小組研究了在光學(xué)粘膠中緩慢運(yùn)動的中性鈉原子冷云團(tuán)。他們被理論與實(shí)驗(yàn)之間微小的不符所激勵，創(chuàng)造了精確測量處于不同冷卻條件的云團(tuán)溫度的各種方法。 他們采用一種技術(shù)測量原子從光學(xué)粘膠區(qū)域下落到探測激光束處的飛行時間。1988 年初，他們發(fā)現(xiàn)，原子的溫度約為 40pK,比預(yù)計(jì)的多普勒極限 240 仙 K 低得多。他們還發(fā)現(xiàn)，最低的溫度是在與理論多普勒極限的條件相矛盾的條件下得到的。朱棣文后來轉(zhuǎn)到斯坦福大學(xué)，他所帶的幾個

14、研究小組以及科恩-塔諾季在巴黎高等師范學(xué)院的小組所做的實(shí)驗(yàn)， 不久就證實(shí)了菲利普斯的發(fā)現(xiàn)是真實(shí)的。 斯坦福小組和巴黎的小組幾乎同時而且立刻對這一理論和實(shí)驗(yàn)之間的分歧作出了解釋。 原來多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設(shè)原子具有簡單的二能級譜?？墒菍?shí)際上真正的鈉原子都具有好幾個塞曼子能級， 不但在基態(tài)， 而且在激發(fā)態(tài)也是如此?；鶓B(tài)子能級可以用光泵方法激發(fā)， 也就是說， 激光能夠把鈉原子轉(zhuǎn)變?yōu)榘醋幽芗壊季拥牟煌植?，并引起新的冷卻機(jī)制。這種布居分布的細(xì)節(jié)依賴于激光的偏振態(tài)，而在光學(xué)波脈沖將原子從一個能態(tài)激發(fā)到另一個能蒸，由此可以極其精確地測量原子能態(tài)。光學(xué)粘膠使原子冷卻線圈產(chǎn)生跑場激光使原子運(yùn)動速度

15、降低光束注入原子圖 9T-1 原子噴泉示意圖.兩兩相向相互正交的六束謝北組成光學(xué)粘膠 再加防個蜴圈產(chǎn)生盛場J弦成磁兆陷阱，粘膠中，在光學(xué)波長量級的距離里偏振態(tài)會發(fā)生快速的變化。因此，人們?yōu)檫@種新的冷卻機(jī)制取了一個名稱， 叫“偏振梯度冷卻”。 菲利普斯最早發(fā)現(xiàn)的特殊機(jī)制則取了另外一個名稱，叫“希蘇伐斯冷卻”，希蘇伐斯是希臘神話中的一個角色，傳說他被判處把重石頭推上山坡，而當(dāng)重石被推到坡頂時，又會滾下山，于是他只能從頭開始。原子總在失去動能，就好象是上山一樣，經(jīng)激光場又被光激發(fā)回到山谷，如此周而復(fù)始，反復(fù)進(jìn)行，不斷冷卻降溫。人們把低于多普勒極限的過程稱為亞多普勒冷卻。1989 年菲利普斯訪問巴黎，

16、他與高等師范學(xué)院的小組合作，共同證明了中性葩原子可以冷卻到 2.5KK。他們發(fā)現(xiàn)，和多普勒冷卻一樣，其它類型的激光冷卻也有相應(yīng)的極限。 以從單個光子反沖而得的速度運(yùn)動的一團(tuán)原子所相當(dāng)?shù)臏囟染徒蟹礇_極限。 對于鈉原子，反沖極限溫度為 2.4 而葩原子則低至 0.2Ko上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎就表示了，用偏振梯度冷卻有可能使一群無規(guī)的原子云達(dá)到十倍于反沖極限的溫度。在新近的發(fā)展中， 人們做到了把冷卻了的原子拘捕在所謂光格架的地方。 這種格架是以光的波長量級作為間隔， 靠改變激光束的位形加以調(diào)整。 由于原子處在格架位置上要比處在任意位置能夠更有效地冷卻，從而可以達(dá)到無規(guī)狀態(tài)下所能達(dá)到的溫度的一半。例如，對于

17、葩已經(jīng)達(dá)到了 1.1Ko單個光子的反沖能量之所以會有一個極限值，是因?yàn)椴徽搶Χ嗥绽绽鋮s還是偏振梯度冷卻， 兩者都會發(fā)生連續(xù)的吸收和發(fā)射的循環(huán)過程。 每個過程都會給原子以微小但卻不能忽略不計(jì)的反沖能量。如果原子幾乎是靜止的，免去了吸收-發(fā)射循環(huán)，原則上就可以在稀薄原子蒸氣中達(dá)到比反沖冷卻極限還要低的溫度， 這就叫亞反沖冷卻。 早在20 世紀(jì) 70 年代，比薩大學(xué)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以用光泵方法使放在強(qiáng)激光場中的原子激發(fā)到無吸收的相干疊加狀態(tài)， 即所謂的“暗態(tài)”。 科恩塔諾季和巴黎高等師范學(xué)院的一些同事，其中有阿里孟多（E.Arimondo,來自比薩）和阿斯派克特（A.Aspect）,他們在一系列的實(shí)驗(yàn)

18、中證明了利用多普勒效應(yīng)可以使最冷的原子最終達(dá)到暗態(tài)。 這個方法就叫速度選擇相干布居陷阱法（VSCPT01988 年， 科恩-塔諾季及其同事用這種方法使氮原子冷卻。 他們用兩組相向傳播的激光束，證明了一維冷卻可達(dá) 2k 的溫度，比理論預(yù)計(jì)的反沖極限還小一倍。20 世紀(jì)90 年代初這一實(shí)驗(yàn)發(fā)展到二維冷卻。1994 年科恩塔諾季和阿斯派克特及另一個小組用兩對相互正交的并相向傳播的激光束，證明了二維冷卻可達(dá) 250nK,約比反沖極限溫度低 16 倍。最終在 1995 年實(shí)驗(yàn)發(fā)展到用三對激光束，演示了沿三個方向的冷卻。最低的溫度達(dá)到 180nK,比反沖極限還要低 22 倍。理論預(yù)計(jì)，氮原子的多普勒極限為 23 小人反沖極限為 4Ko朱棣文是華裔科學(xué)家，1948 年生于美國密蘇里州的圣路易斯，美國公民。他父親朱汝瑾博士是臺灣中央研究院院士。朱棣文于 1976 年畢業(yè)于美國伯克利加州大學(xué)，獲物理學(xué)博士學(xué)位，并留校做了兩年博士后研究，后來他加入貝爾實(shí)驗(yàn)室，1983 年任貝爾實(shí)驗(yàn)室量子電子學(xué)研究部主任，1987 年應(yīng)聘任斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授，1990 年任斯坦福大學(xué)物理系主任。 他因開發(fā)了激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)獲 1993 年費(fèi)薩爾國