探索波色·愛因斯坦凝聚的研究歷史

精品文檔-下載后可編輯探索波色·愛因斯坦凝聚的研究歷史在20世紀(jì)70年代中期，激光冷卻與捕陷中性原子技術(shù)的研究，使人類進(jìn)入了一個(gè)空前的超低溫時(shí)代。在這個(gè)新領(lǐng)域中，人們在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了新的物態(tài)，即玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一系列新的物理現(xiàn)象。一些新的學(xué)科和領(lǐng)域，如超冷原子物理、原子光學(xué)、波動(dòng)原子光學(xué)、量子原子光學(xué)、微結(jié)構(gòu)集成原子光學(xué)、非線性原子光學(xué)等相繼興起，并呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，它們都已成為物理學(xué)的熱門研究領(lǐng)域。

最初，多普勒冷卻被人們認(rèn)為是激光冷卻原子的唯一機(jī)制，即認(rèn)為多普勒冷卻的極限溫度就是原子可以獲得的最低溫度。在1998年，Phillips實(shí)驗(yàn)小組報(bào)道了原子低于多普勒冷卻的極限溫度的三維“光學(xué)黏膠”，其極限溫度達(dá)到了約40，這一溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原子的多普勒冷卻的極限溫度[2]。不久以后，Cohen-Tannoudji實(shí)驗(yàn)小組也證實(shí)了“光學(xué)黏膠”的冷卻溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多普勒冷卻極限溫度[3]。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分說明了目前對激光冷卻機(jī)制的理論研究工作不完善，仍需進(jìn)一步的探究。因此，一些學(xué)者們在此基礎(chǔ)上又提出亞多普勒冷卻機(jī)制[4]，主要包括偏振旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)原子布居冷卻以及后來的磁感應(yīng)冷卻等[5]。

激光冷卻與囚禁原子原理實(shí)際上就是光場對原子的作用力，即機(jī)械作用。Ashkin[6，7]和Letokhov[8]等人首先提出了激光對中性原子會(huì)產(chǎn)生偶極力和散射力，并且它們是可以觀測到的機(jī)械作用力，但這兩種力實(shí)際上性質(zhì)不同。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，在1975年，Wineland與Dehmelt[9]和Hansch與Schawlow[10]分別提出了對中性原子和囚禁在電磁阱中的離子的激光冷卻實(shí)驗(yàn)方案。從此以后，實(shí)驗(yàn)研究隨之蓬勃開展起來。

1光阱

光阱的理論原理和激光捕獲微粒的原理，實(shí)質(zhì)上是一致的。當(dāng)激光和原子相互作用時(shí)，原子會(huì)吸收光子，并且在輻射光子時(shí)就會(huì)受到沿光束前進(jìn)方向的散射力的作用。在近共振光場的作用下，原子會(huì)產(chǎn)生感生電偶極矩，電偶極矩又會(huì)與光場發(fā)生相互作用，此相互作用不僅會(huì)使原子受到梯度力的作用，而且還將會(huì)導(dǎo)致原子能級的產(chǎn)生與光場強(qiáng)度及偏振有關(guān)的能級移動(dòng)，也就是光頻移。若光場中分布著非均勻的光強(qiáng)，那么原子的能級就隨著空間的光強(qiáng)變化而呈現(xiàn)一定的分布。由于負(fù)失諧時(shí)光頻移的結(jié)果是使光強(qiáng)最強(qiáng)處成為原子勢能的最低點(diǎn)，因此在激光束為負(fù)失諧時(shí)，偶極力將會(huì)把原子推向光強(qiáng)最強(qiáng)處；相反地，在激光束為正失諧的情況下，因?yàn)檎еC時(shí)光頻移的結(jié)果是使光強(qiáng)最弱處成為原子勢能的最低點(diǎn)，所以偶極力又會(huì)把原子推向光強(qiáng)最弱處。據(jù)此，Letokhov等在1968年提出通過駐波光場的偶極力來俘獲原子的辦法[25]。

利用散射力和偶極力相結(jié)合的方法可以實(shí)現(xiàn)原子光阱。朱棣文等人于1986年在大小約為溫度的三維原子“光學(xué)黏膠”的情況下，利用大負(fù)失諧量的強(qiáng)聚焦基模高斯激光束，第一次成功地在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了原子光阱。

2磁阱

根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，用[27]來表示不均勻磁場對磁偶極矩的作用力。由此，可利用特定結(jié)構(gòu)的磁場系統(tǒng)將磁矩不為零的中性原子俘獲在磁場的極小值處。最簡單的中性原子磁阱的實(shí)驗(yàn)裝置由一對通以恒定直流電流的同軸反向亥姆霍茲線圈所組成。在兩線圈之間軸線上的中點(diǎn)位置上磁場強(qiáng)度為零。以此點(diǎn)為起點(diǎn)沿著任意方向前進(jìn)，都會(huì)使磁場強(qiáng)度增大。實(shí)驗(yàn)中，在應(yīng)用磁四極阱的時(shí)侯，必須先將經(jīng)過一維激光冷卻的慢原子束漂移至磁阱的中心位置上，然后利用近共振的激光脈沖把原子的漂移速度幾乎降低至零，與此同時(shí)，接通兩線圈的電流，就可以在磁四極阱中心實(shí)現(xiàn)原子冷卻。原子的磁四極阱[26-28]是由Metcalf小組在1985年第一次在實(shí)驗(yàn)中成功演示。

當(dāng)原子在阱內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于原子在磁四極阱中的受力情況跟原子的磁偶極矩與四極磁場之間的夾角有關(guān)，所以必須保持這一夾角基本不變，才可以使原子受到的磁場力指向磁阱的中心位置上，近而成功地將原子在阱中俘獲。但是實(shí)際上，一般情況下這個(gè)條件是很難達(dá)到的。

的Zeeman子能級上的原子勢能的極低點(diǎn)在磁四極阱的中心位置上。當(dāng)阱中處在的Zeeman子能級上的原子運(yùn)動(dòng)到磁四極阱的中心位置時(shí)，因?yàn)?，磁阱中心處的磁場?qiáng)度為零，所以可通過Majarona躍遷過程使其躍遷到或的Zeeman子能級上。對的Zeeman子能級上的原子，該點(diǎn)與原子勢能的極大點(diǎn)相對應(yīng)。在此情況下，原子將在磁場的作用下被推出阱外，這樣就會(huì)導(dǎo)致阱中原子的泄露。

上文中所提到的漏洞將對阱中原子密度的增加起到嚴(yán)重的阻礙作用。為了克服這一阻礙作用，人們研究出了很多種方法。比如，為了克服Majarona躍遷所引起的原子泄露，Pritchard小組是通過增加均勻偏置磁場的方法，在真空度更高的情況下將磁四極阱中的原子成功地俘獲了約[29].而Corell小組則是利用增加旋轉(zhuǎn)偏置磁場的辦法，使得處在的Zeeman子能級上的原子被旋轉(zhuǎn)磁場形成的等效時(shí)間平均勢所約束，使其不能再進(jìn)動(dòng)到或的Zeeman子能級，這樣就成功地解決了磁四極阱中原子的泄露問題[30]。原子的交流磁阱的設(shè)想是由Lovelace等提出的，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作卻是由Wieman小組第一次完成[31]。

3磁光阱

世界上第一次成功實(shí)現(xiàn)激光場與梯度磁場相結(jié)合的中性原子磁光阱，是Raab和他的助手們利用原子實(shí)現(xiàn)的[34]。隨后，Wieman實(shí)驗(yàn)小組在1990年利用半導(dǎo)體激光器在原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)直接工作在原子室中的中性原子磁光阱[35]，這種技術(shù)很大程度上簡化了磁光阱的實(shí)驗(yàn)裝置與相關(guān)技術(shù)。Ketterl等人在1993年[36]又提出了可以有效地提高阱中所俘獲原子的密度的方案，即所謂的“暗磁光阱”方案。

目前，在國外已經(jīng)有很多研究小組先后構(gòu)建了各種不同原子的磁光阱實(shí)驗(yàn)裝置，并在試驗(yàn)中成功地將多種中性原子俘獲。在國內(nèi)，也有很多地方都在做這方面的研究工作。其中取得一定的實(shí)驗(yàn)成果的有，山西大學(xué)光電研究所是采用磁光阱的方法獲得了冷原子樣品[37]，北京大學(xué)和上海光機(jī)所后來也分別報(bào)道了原子和原子磁光阱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除此之外，國內(nèi)還有浙江大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國計(jì)量科學(xué)研究院德等也做了激光冷卻與俘獲方面的工作。

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)上，激光冷卻和捕陷原子的研究具有重大的意義。它能很大程度提高分辨率和光譜研究的精度