激光冷却与捕陷原子

获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种技术。它不但给人类带来实惠,例如超导的发现与研究,而且为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。例如在低温下,分子、原子热运动的影响可以大大减弱,原子更容易暴露出它们的“本性”。以往低温多在固体或液体系统中实现,这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子。20世纪80年代,借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温(例如,10–10K)状态,这种获得低温的方法就叫激光冷却。

激光冷却中性原子的方法是汉斯(T.W.Hänsch)和肖洛(A.L.Schawlow)于1975年提出的,80年代初就实现了中性原子的有效减速冷却。这种激光冷却的基本思想是:运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子后,从基态过渡到激发态,其动量就减小,速度也就减小了。速度减小的值为

 

处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态,由于反冲会得到动量。此后。它又会吸收光子,又自发辐射出光子,但应注意的是,它吸收的光子来自同一束激光,方向相同,都将使原子动量减小。但自发辐射出的光子的方向是随机的,多次自发辐射平均下来并不增加原子的动量。这样,经过多次吸收和自发辐射之后,原子的速度就会明显地减小,而温度也就降低了。实际上一般原子一秒钟可以吸收发射上千万个光子,因而可以被有效地减速。对冷却钠原子的波长为589nm的共振光而言,这种减速效果相当于10万倍的重力加速度!由于这种减速实现时必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应,所以这种减速就叫多普勒冷却。

由于原子速度可正可负,就用两束方向相反的共振激光束照射原子。这时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。

实际上,原子的运动是三维的。1985年贝尔实验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿xyz三个方向照射钠原子,在6束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来,温度达到了240mK。

理论指出,多普勒冷却有一定限度(原因是入射光的谱线有一定的自然宽度),例如,利用波长为589nm的黄光冷却钠原子的极限为240mK,利用波长为852nm的红外光冷却铯原子的极限为124mK。但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺基小组把铯原子冷却到了2.8nK的低温,朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24pK的一群钠原子。

在朱棣文的三维激光冷却实验装置中,在三束激光交汇处,由于原子不断吸收和随机发射光子,这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收,原子和光子互相交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实体,低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文把这种实体称做“光学粘团”,这是一种捕获原子使之集聚的方法。更有效的方法是利用“原子阱”,这是利用电磁场形成的一种“势能坑”,原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁阱”,它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零,向四周磁场不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩,在中心时势能最低,偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获1012个原子,捕陷时间长达12min。除了磁阱外,还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁阱、光阱结合起来的磁-光阱。

激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意义。例如,由于原子的热运动几乎已消除,所以得到宽度近乎极限的光谱线,从而大大提高了光谱分析的精度,也可以大大提高原子钟的精度 。最使物理学家感兴趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色-爱因斯坦凝聚。这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的,但长期未被观察到。这是一种宏观量子现象,指的是宏观数目的粒子(玻色子)处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下,原子的动量很小,因而德布罗意波长较大。同时,在原子阱内又可捕获足够多的原子,它们的相互作用很弱而间距较小,因而可能达到凝聚的条件。1995年果真观察到了2000个铷原子在170nK温度下和5×105个钠原子在2mK 温度下的玻色一爱斯坦凝聚。

朱棣文(S.Chu)、达诺基(C.C.Tannoudji)和菲利浦斯(W.D.Phillips)因在激光冷却和捕陷原子研究中的出色贡献而获得了1997年诺贝尔物理奖,其中朱棣文是第五位获得诺贝尔奖的华人科学家。