朱棣文，Claude Cohen-Tannoudji 以及William D. Phillips在激光冷卻捕獲的工作成果（methods to cool and trap atoms with laser light.）給該領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了重大突破，并且加深了對(duì)光與物質(zhì)相互作用的理解。這項(xiàng)研究還在世界范圍掀起了對(duì)于原子、分子和光學(xué)物理領(lǐng)域的討論熱潮，特別是為研究極低溫下稀原子蒸氣的量子行為開辟了新的道路。

激光冷卻及捕獲原子的技術(shù)被應(yīng)用于基礎(chǔ)的高分辨率光譜學(xué)（fundamental high resolution spectroscopy）和超低溫碰撞（ultracold collisions）的研究，還可以應(yīng)用于原子鐘、原子干涉儀、原子激光器的制造。與1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)有關(guān)的最新應(yīng)用是首次觀察到稀原子氣體中的玻色-愛因斯坦凝聚，以及第一臺(tái)原子激光器的初步開發(fā)。

1. 歷史背景

開普勒在試圖向人們解釋為什么彗星在進(jìn)入太陽(yáng)系時(shí)它的尾部總是指向背離太陽(yáng)的方向，早在1619年他就提出光是有力學(xué)作用的。麥克斯韋和愛因斯坦分別在1873年和1917年對(duì)所謂的“光壓強(qiáng)”（light pressure）理論做出了重要貢獻(xiàn)。愛因斯坦特別指出，原子吸收或放出光子會(huì)改變自身的線性動(dòng)量。

光子動(dòng)量發(fā)揮重要作用的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是康普頓效應(yīng)，也就是X光對(duì)電子的散射。1923年，威爾遜首次在他的云室中觀測(cè)到了反沖電子。1933年，O.R. Frisch首次對(duì)反沖電子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。1966年，P.P.Sorokin和F.P.Sch?fer發(fā)明了可調(diào)諧染料激光器（tunable dye laser），為進(jìn)一步探索所謂的“光的力學(xué)性質(zhì)”創(chuàng)造了一個(gè)杰出的工具（the mechanical properties of light had been created.）。

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的V.S. Letokhov等物理學(xué)家以及美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（位于Holmdel NJ）的A. Ashkin團(tuán)隊(duì)在光子對(duì)中性原子的作用基礎(chǔ)上做出了重要的理論和實(shí)驗(yàn)成果。他們提出的方法之一是彎曲并聚焦原子束，并在聚焦的激光束中捕獲原子。這項(xiàng)工作還促進(jìn)了早期“光鑷”（optical tweezers）技術(shù)的發(fā)展，它可以用來(lái)操控活細(xì)胞以及其他微小物體。

T.W. H?nsch 和 A.L. Schawlow 在1975年首次提出了冷卻反向傳播激光束中的中性原子。與此同時(shí)，D.J. Wineland 和 H.G. Dehmelt也提出了一種類似的方法，用于離子阱中的離子。H?nsch和Schawlow提出用兩束失諧到略低于原子共振躍遷頻率的反向傳播的激光束來(lái)冷卻中性原子。

由于多普勒效應(yīng)會(huì)使向其中一束激光束運(yùn)動(dòng)的原子產(chǎn)生共振，這些原子將被來(lái)自同一方向且能量低于共振能量的光子吸收而系統(tǒng)地減速。由于發(fā)射發(fā)生在隨機(jī)方向，因此它只導(dǎo)致較小的各向同性速度分布。因此，向激光器運(yùn)動(dòng)的原子將失去速度并有效地得到冷卻。速度分量朝向其他激光器的原子也會(huì)以相同的方式冷卻。在理想的二能級(jí)原子氣體中，可以很容易地計(jì)算出極限溫度，即所謂的多普勒極限（Doppler limit），對(duì)于鈉的共振躍遷，該極限溫度為0.24mK。

在冷卻并捕獲中性原子中一個(gè)重要的步驟是產(chǎn)生一束足夠慢的原子束，使它能在光子-原子相互作用區(qū)域內(nèi)停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間。1980年左右人們?cè)啻螄L試用光子來(lái)減慢原子束的速度，而困難在于，隨著自由原子速度的減慢，激光的頻率必須符合多普勒頻移后的共振頻率，這是由Letokhov提出的，被稱為“frequency chirping”。

相反， NIST（National Institute of Standards andTechnology，Gaithersburg， USA）的W.D. Phillips和他的同事提出了一種方案，其中原子束沿著變化的螺線管磁場(chǎng)的軸傳播，以便多普勒和塞曼位移（ Zeeman shifts）進(jìn)行補(bǔ)償，使共振躍遷頻率恒定（Zeeman slower）。

Phillips在1985年使用了這項(xiàng)技術(shù)，能夠阻止原子束并將原子限制在磁阱中（1983年由麻省理工學(xué)院的D.E. Pritchard提出）。同樣在1985年，J.L.Hall及其同事在的NIST（Boulder，USA）演示了通過frequency chirping完全停止中性原子束。

2. 光學(xué)粘膠

1984年，朱棣文和他在貝爾實(shí)驗(yàn)室的同事（其中包括Ashkin和J.E. Bjorkholm）開始著手實(shí)現(xiàn)H?nsch和Schawlow的多普勒冷卻方案。他們使用一束鈉原子束，首先經(jīng)過frequency-chirped激光預(yù)冷減速。關(guān)閉激光后，鈉原子會(huì)移動(dòng)到六束兩兩成對(duì)的正交反向傳播激光束的交叉點(diǎn)（圖1）。



圖1.用于多普勒冷卻實(shí)驗(yàn)的真空室、交叉激光束和原子束示意圖。激光束垂直及水平進(jìn)入超高壓窗口 1985年，他們的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了將在0.2cm3中有個(gè)10^5個(gè)鈉原子的稀蒸氣冷卻到約0.2mK的溫度。

交叉區(qū)域中原子的運(yùn)動(dòng)類似于粘性介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，在最初發(fā)表時(shí)(Phys. Rev. Lett. 55, 48 (1985))被命名為“光學(xué)黏團(tuán)（optical molasses）”。由于原子沒有被捕獲，而是在重力場(chǎng)中緩慢下落，因此冷原子云的壽命是有限的，在最初的實(shí)驗(yàn)中為0.1s。這種效應(yīng)實(shí)際上可以在冷卻激光在可變的時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)閉時(shí)通過監(jiān)測(cè)熒光的衰減來(lái)估測(cè)算交叉區(qū)域中原子的溫度。該溫度測(cè)量結(jié)果與鈉的理論多普勒極限0.24 mK一致。光學(xué)黏團(tuán)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步發(fā)展最終使原子密度增加至10^5/cm3，觀察時(shí)間增加到了1秒。

為了使在光學(xué)黏團(tuán)中移動(dòng)的激光冷卻中性原子變得真正有用，需要一個(gè)光學(xué)陷阱。這個(gè)陷阱必須比1985年菲利普斯使用的磁阱或由Letokhov和 Ashkin提出的，在1986年由朱棣文及其同事在光學(xué)黏團(tuán)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的聚焦激光束陷阱更深。1987年，Pritchard和朱棣文聽從J.Dalibard的建議，開發(fā)了后來(lái)的主要實(shí)驗(yàn)方法，磁光阱（MOT）。它仍然使用三對(duì)反向傳播的激光束，但是光具有圓偏振態(tài)，并與弱磁場(chǎng)相結(jié)合。

根據(jù)J.R.Zacharias和H?nsch的建議，朱棣文還開發(fā)了一種用于高精度光譜學(xué)的原子噴泉。被冷卻和捕獲的原子在引力場(chǎng)中向上發(fā)射，在微波腔中，慢原子被連續(xù)的兩個(gè)微波脈沖共振激發(fā)，其軌跡有轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)原子束用兩個(gè)激發(fā)區(qū)域的技術(shù)由N.F. Ramsey引領(lǐng)，并應(yīng)用在最精確的原子鐘上。目前這些時(shí)鐘的精度是，而基于原子噴泉的新設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將使精度提升到原來(lái)的100倍。

3. 亞多普勒冷卻

與此同時(shí)，W.D.Phillips和他在NIST的團(tuán)隊(duì)研究了在光學(xué)黏團(tuán)中緩慢移動(dòng)的中性鈉原子冷云。由于理論和實(shí)驗(yàn)之間存在一些小的分歧，朱棣文也注意到了這一點(diǎn)，他們開發(fā)了更精確地測(cè)量不同冷卻條件下云層溫度的方法。特別是，他們采用了一種技術(shù)來(lái)確定下落原子到達(dá)光學(xué)黏團(tuán)區(qū)域下方的一組探測(cè)激光束的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。1988年初，他們發(fā)現(xiàn)原子的溫度約為40μK，遠(yuǎn)低于預(yù)測(cè)的多普勒極限240μK（Phys.Rev.Lett.61169（1988））。他們還發(fā)現(xiàn)，最低溫度是在完全不符合理論多普勒極限的情況下達(dá)到的。

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圖2.將運(yùn)動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)與兩種不同溫度下鈉原子組合方式的計(jì)算進(jìn)行比較。陰影區(qū)域表示計(jì)算中的誤差范圍。顯然，云的溫度已達(dá)到40μK，是多普勒極限的六分之一。

朱棣文和C.Cohen Tannoudji在巴黎高等師范學(xué)院的實(shí)驗(yàn)很快證實(shí)了Philips的發(fā)現(xiàn)是真實(shí)的。巴黎的J.Dalibard和Cohen Tannoudji以及斯坦福團(tuán)隊(duì)立即對(duì)這種差異做出了解釋。多普勒冷卻和多普勒極限理論假設(shè)原子具有簡(jiǎn)單的二能級(jí)能譜，而真實(shí)的鈉原子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)都有幾個(gè)塞曼子能級(jí)。

基態(tài)子能級(jí)可以被光泵浦，即激光可以將鈉原子轉(zhuǎn)移到不同的子能級(jí)分布中，并產(chǎn)生新的冷卻機(jī)制。數(shù)量分布具體取決于激光偏振，這種偏振在光學(xué)黏團(tuán)內(nèi)一個(gè)光波長(zhǎng)的距離上快速變化。因此，新的冷卻機(jī)制被稱為極化梯度冷卻（polarization gradient cooling）。

Philips最初發(fā)現(xiàn)的特殊機(jī)制被命名為Sisyphus （西西弗斯）cooling，與希臘神話中的人物類似，他被判處推一塊沉重的石頭上山，但每當(dāng)?shù)竭_(dá)頂峰后卻發(fā)現(xiàn)石頭滾了下來(lái)，于是不得不重新開始。原子總是在失去動(dòng)能，就像在上坡運(yùn)動(dòng)一樣，再被激光場(chǎng)光泵送回山谷，然后再次上坡，循環(huán)往復(fù)。

在1989年訪問巴黎期間，Philips與巴黎高等師范學(xué)院的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了合作。他們表明中性銫原子可以冷卻到2.5μK。而對(duì)于多普勒冷卻來(lái)說(shuō)，其他一些類型的激光冷卻也都存在一個(gè)基本的溫度下限。這個(gè)所謂的反沖極限對(duì)應(yīng)著以相當(dāng)于單個(gè)光子的反沖速度運(yùn)動(dòng)的原子云的溫度。

對(duì)于鈉原子，反沖溫度為2.4μK，而對(duì)于銫原子，反沖溫度低至0.2μK。因此，上面引用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過對(duì)無(wú)序原子云進(jìn)行極化梯度冷卻，可以達(dá)到大約十倍于反沖極限的溫度。最近一項(xiàng)研究成果表明，人們已經(jīng)能夠在所謂的光學(xué)晶格（optical lattice）中捕獲冷卻的原子。

這種晶格具有光學(xué)波長(zhǎng)量級(jí)的間距，并且間距大小可以通過改變激光束的配置來(lái)調(diào)整。由于原子在晶格格位比在其他的位置能更有效地得到冷卻，因此可以達(dá)到無(wú)序狀態(tài)下溫度的一半左右。比方說(shuō)銫已經(jīng)能夠達(dá)到1.1μK。

4. 亞反沖冷卻

在多普勒冷卻和偏振梯度冷卻中，單光子的反沖的能量都有限制的原因是，在這兩種冷卻方法中都有一個(gè)連續(xù)循環(huán)的吸收和發(fā)射過程。每一個(gè)過程都會(huì)給原子一個(gè)很小但不可忽略的反沖能量。如果幾乎靜止的原子可以免于吸收-發(fā)射循環(huán)，理論上在稀原子蒸氣中可以達(dá)到次反沖極限溫度。早在20世紀(jì)70年代，比薩大學(xué)就發(fā)現(xiàn)了這樣一種機(jī)制，強(qiáng)激光場(chǎng)中的原子可以被光泵入非吸收相干疊加態(tài)，即所謂的暗態(tài)（dark state）。

C.Cohen Tannoudji與巴黎高等師范學(xué)院的幾位同事，其中包括E.Arimondo（來(lái)自比薩）和A.Aspect，在一系列實(shí)驗(yàn)中展示了如何利用多普勒效應(yīng)確保只有最冷的原子最終處于暗態(tài)。這種被稱為“速度選擇相干布居數(shù)囚禁”（velocity selective coherent population trapping -VSCPT）的方法首次應(yīng)用于1988年的一維（Phys.Rev.Lett.61826（1988）），1994年的二維（Phys.Rev.Letter.731915（1994）），1995年的三維（Phys-Rev.Lett754194（1995））冷卻當(dāng)中。

所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)都使用亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)的氦原子He，其多普勒極限為23μK，反沖極限為4μK。早在1988年，Cohen Tannoudji及他的同事就使用了兩束反向傳播的激光束，一維冷卻到2μK的溫度，比反沖極限低一半。該實(shí)驗(yàn)在20世紀(jì)90年代初發(fā)展到二維冷卻。

1994年，Cohen Tannoudji與Aspect和一組新的同事一起，使用兩對(duì)相互正交且反向傳播的激光束，二維冷卻到250nK，大約比反沖極限溫度低16倍。最后，在1995年，該實(shí)驗(yàn)發(fā)展到了有三組激光束，并達(dá)到了三維冷卻。最低溫度現(xiàn)在變成了180nK，比反沖極限低22倍（圖3）。盡管其他團(tuán)體也參與了次反沖冷卻的開發(fā)，尤其是朱棣文及其合作者，但Cohen Tannoudji的工作可以說(shuō)是開辟了次反推激光冷卻的新領(lǐng)域。



圖3.三維次反沖冷卻中原子速度分布的剖面圖。單光子反沖速度為9.2cm/s，而冷卻原子的擴(kuò)散速度約為2cm/s。

5. 應(yīng)用

在過去的幾十年間，激光冷卻與捕獲中性原子領(lǐng)域得到了巨大進(jìn)展。三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者及其合作者與許多其他科學(xué)家共同為物理學(xué)多個(gè)分支領(lǐng)域的重要發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將被捕獲原子的稀蒸氣冷卻到迄今為止僅在凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)的孤立部分中才能達(dá)到的溫度的方法的發(fā)展，使得建造用于精確計(jì)時(shí)的原子鐘成為可能，例如與空間導(dǎo)航和太陽(yáng)系探索有關(guān)的原子鐘。

激光冷卻的另一個(gè)應(yīng)用是原子干涉儀的開發(fā)，其中慢原子的德布羅意波長(zhǎng)用于超高精度的干涉測(cè)量，例如重力加速度。原子光學(xué)的精密儀器也為原子光刻開辟了道路。原子束可用于在表面上形成納米結(jié)構(gòu)，例如電子元件。最近在稀原子氣體中觀察到的玻色-愛因斯坦凝聚也與這篇文章中描述的激光冷卻和捕獲方面的開創(chuàng)性工作有關(guān)。

審核編輯：劉清