激光冷卻技術及其在玻色–愛因斯坦凝聚中的應用

孫 廣，張曉變

（河南質量工程職業學院 基礎部，河南 平頂山 467000）

激光冷卻技術及其在玻色–愛因斯坦凝聚中的應用

孫 廣，張曉變

（河南質量工程職業學院 基礎部，河南 平頂山 467000）

介紹了激光冷卻中性原子的原理，以及玻色–愛因斯坦凝聚的形成條件和實現途徑，說明了激光冷卻技術在玻色–愛因斯坦凝聚中的應用．

激光冷卻；玻色–愛因斯坦凝聚；光學粘團

十多年來，一個新的研究領域——超冷原子物理學蓬勃發展起來．處于“超冷”狀態（溫度低于1 mK）的原子體系將遵從新的物理規律，其中特別有意義的是原子氣體會出現玻色–愛因斯坦凝聚現象（BEC）．2001年的諾貝爾物理獎就授予了在BEC實驗實現和性質研究方面做出重要貢獻的英國科學家康奈爾、維曼和德國科學家克特勒．玻色–愛因斯坦凝聚是科學巨匠愛因斯坦在70年前預言的一種新物態[1]．這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態）．這一物質形態具有的奇特性質，在芯片技術、精密測量和納米技術等領域都有美好的應用前景．本文介紹激光冷卻中性原子的原理，以及BEC的概念、形成條件和實現途徑，并說明激光冷卻技術在BEC中的應用．

1 激光冷卻中性原子技術

根據分子運動論，在常溫下一切原子、分子都在高速運動．以空氣中的氫分子為例，室溫下平均以1100 m/s的速率運動，即使將溫度降到3 K，它仍以110 m/s的速率運動．這樣高速運動的粒子很難觀察，更難進行精確測量．另外，隨著溫度的降低，眾多原子通常會凝結成液體或固體，從而原子間產生強烈的相互作用，其結構和基本性能將發生顯著變化．如何使原子分子的運動速度降至極小甚至接近于零，又使他們保持相對獨立（相互作用很弱），這是物理學上的一個難題[2]．當溫度足夠低時，原子群會進入一種特殊的狀態——BEC狀態．目前，人們利用激光冷卻和捕陷技術使原子群呈現了這種特殊狀態[3―5]．

激光冷卻中性原子的物理思想是Schawlow和Hansch在1975年提出的，他們認為利用激光的輻射壓力可將原子氣體冷卻到極低的溫度[6]．到20世紀80年代中期，在原子束橫向冷卻實驗中，原子束流達到了前所未有的強度，原子的運動也可以得到精確控制[7]．

用準單色激光照射運動的原子，原子將損失動量而減速，如圖1所示．設原子靜止時吸收光子的頻率為ν0，當原子以速度V逆著激光運動時，由于多普勒效應，共振吸收光子的頻率是ν=ν0(1?V/c)，原子吸收光子后因自發輻射而回到初態，然后再吸收光子，再自發輻射……每次吸收一個光子，原子都在其運動方向上損失一部分動量，而每次自發輻射所發射光子的方向卻是隨機的．由于吸收光子時原子在其運動方向的動量減小，而輻射光子時原子動量變化量的平均值為零，所以多次吸收–自發輻射之后原子被減速，這種冷卻機制稱為“多普勒冷卻”[8]．

圖1 多普勒冷卻中的原子和光子

Schawlow和Hansch提出激光冷卻原子的思想以后，物理學家們花了近20年的時間來完善這項技術，已能將原子群的溫度從室溫冷卻至幾十nK，其間物理學家們克服了很多技術難題，其中最主要的是原子減速后多普勒頻移變小導致的原子吸收–自發輻射停止的問題．解決原子吸收–自發輻射停止問題的最有效方法之一是塞曼頻移補償法，1982年W. D. Phillips小組利用基于這一方法的“塞曼減速器”將鈉原子的溫度從室溫冷卻到了100 mK[9]．人們還采用一些新的冷卻機制（如偏振梯度冷卻、速度選擇相干布居捕陷冷卻、“蒸發”冷卻和速度選擇相干態粒子數囚禁等）一次次突破了原子溫度的極限[10]．

2 激冷卻技術在BEC中的應用

根據量子力學中的德布羅意關系λ=h/p，粒子的運動速度越慢（溫度越低），其物質波的波長就越大．當溫度足夠低時，原子的德布羅意波長與原子之間的距離在同一數量級上，物質波之間通過相互作用而達到完全相同的狀態，其性質可由單個原子的波函數描述．當溫度接近絕對零度時，熱運動現象就消失了．BEC的實現首先要獲得超冷玻色原子氣體（一般采用磁光阱捕獲并初步冷卻足夠多的冷原子），接著用塞曼冷卻器減速，最后用“光學粘團”法進一步冷卻．“光學粘團”法是激光冷卻技術中的一種重要方法．

首次實現堿金屬原子BEC實驗的核心裝置是磁光阱，它是利用磁場和光場建立的一種原子陷阱[8]．在磁光阱中，方柱形的玻璃容器是原子氣室，上、下2個平行反向電流線圈產生非均勻磁場（零場強點正好在氣室中心），3對兩兩相對的激光束沿三個坐標軸交匯在氣室中心．在磁場和激光的共同作用下，磁光阱氣室中的原子將被冷卻．磁光阱是所謂的“暗阱”（Dark Mot），可延長原子在阱內的停留時間，從而獲得足夠多的冷原子，以便接著采用“光學粘團”法進一步冷卻堿金屬原子從而獲得超冷玻色原子氣體．

在解決了一系列技術難題之后，堿金屬原子的BEC相繼實現．1995年7月美國科羅拉多州的一個研究組報道他們首次實現了87Rb原子的BEC，同年8月Rice大學的一個研究組報道實現了7Li原子的BEC，3個月后的11月，MIT的研究組報道實現了23Na原子的BEC，這3次實驗都是使用激光冷卻和捕陷中性原子的關鍵技術完成的[11―12]．

綜上所述，在應用激光冷卻技術實現原子的BEC實驗中，多普勒冷卻機制是激光冷卻中最基本的技術，采用“光學粘團”法獲得冷卻原子樣品是實現BEC凝聚的關鍵．

[1] 陳麗璇，林仲金，嚴子浚．玻色―愛因斯坦凝聚(BEC)的實現和研究進展[J]．自然雜志，1997，19(6)：344―346．

[2] 茅奕．玻色―愛因斯坦凝聚的實現及應用[J]．現代物理知識，2000，12(2)：17―20．

[3] Anderson M H，Ensher J R，Matthews M R，et al．Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor[J]．Science，1995，269(5521)：198―201．

[4] 李師群．激光冷卻和捕陷中性原子[J]．大學物理，1999，18(1)：1―5．

[5] 王義遒．原子的激光冷卻與捕陷(I)[J]．物理，1990，19(7)：389―399．

[6] Hansch T W，Schawlow A L．Cooling of gasses by laser radiation[J]．Optics Communications，1975(13)：68―69．

[7] 陳徐宗，周小計，陳帥，等．物質的新狀態——玻色-愛因斯坦凝聚[J]．物理，2002，31(3)：141―145．

[8] 李師群．超冷原子物理學與原子光學[J]．物理與工程，2002，12(1)：1―4．

[9] Migdall A L，Prodan J V，Phillips W D，et al．First observation of magnetically trapped neutral atoms[J]．Physics Review Letter，1985，54(24)：2596―2599．

[10] 王育竹，王笑鵑．激光冷卻原子新機制[J]．物理，1993，22(1)：16―22．

[11] 謝世標．玻色―愛因斯坦凝聚的研究[J]．廣西物理，2002，23(3)：47―50．

[12] 張雪粉，于迎輝，溫小明，等．玻色－愛因斯坦凝聚研究新進展[J]．科技通報，2009，25(2)：124―130．

The Application of Laser Cooling in Bose-Einstein Condensation

SUN Guang, ZHANG Xiao-bian
(Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan Henan 467000, China)

The technique and basic principle of laser cooling as well as the concept, realization conditions of Bose-Einstein condensate are introduced. The application of the technology in the Bose-Einstein condensation is explained.

laser cooling; Bose-Einstein condensation; optical molasses

O51

A

1006-5261(2010)05-0007-02

2010-06-10

孫廣（1970―），女，江蘇睢寧人，講師．

〔責任編輯 張繼金〕