读激光冷却和操控原子文章

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1、读激光冷却和操控原子文章激光冷却和操控原子：原理与应用2018-05-08 13:3技术 科技导报激光冷却和囚禁原子的发展历程 激光冷却和囚禁原子来源于光场对原子的机械作用力。激光冷却原子最初在原子 束上得以实现。1982年，美国国家标准和技术研究所（NIST）的Phillips报道 了方向与原子束对射、频率相对原子谐振红移的激光多普勒冷却实验，将钠原子 的热运动速度降低到原来的4% （平均速度40 m/s，速度分布10 m/s），即原子 温度冷却至70 mK （对应速度分布）。1985年，Phil lips和Hall研究组分别利 用空间变化磁场和频率扫描的方法实现了将原子束减速，直至原子静止

2、，原子温 度分别为100 mK和50 mK,原子密度分别为105cm-3和106 cm-3。在此基础 上，Phillips研究组利用2个环形线圈搭建静磁阱实现了冷钠原子囚禁，囚禁 时间达到0.83 s,不过这种静磁阱并没有冷却原子的功能，钠原子需要预先冷 却后注入静磁阱。1985年,美国贝尔实验室的朱棣文研究组报道实现了一种新的激光冷却方法, 称为“光学阻尼”。将6束激光作用于已经预冷却的钠原子团,利用多普勒冷却 机制将钠原子进一步冷却至多普勒极限温度240 M K将原子温度降低2个数 量级，原子的密度106 cm-3。光学阻尼没有恢复力作用，因此无法实现原子囚 禁。进一步研究利用光偶极阱实现

3、原子囚禁。 1986年,报道利用一束高功率聚 焦激光囚禁了 500个左右的原子，原子密度提高到10111012cm-3,阱的寿命达 到秒量级。1987年，他们与美国麻省理工学院Pritchard研究组合作实现了一 种结合光学阻尼和梯度静磁场的阱，称为“磁光阱”（MOT）。MOT不仅实现了 原子的多普勒冷却,还借助塞曼效应在梯度磁场中实现了光和原子的持续循环跃 迁,产生恢复力,形成势阱,实现了原子的囚禁,囚禁原子数目达到107个,密 度达到1011 cm-3，原子温度达到600 mKo 1990年，美国天体物理联合实验 室（JILA） Wieman研究组研制的MOT直接从铯蒸气背景中冷却和囚禁原

4、子，与 1987年报道的MOT装置相比，省去了原子束冷却装置，简化了实验系统。MOT 实现了激光直接冷却和囚禁原子,推动冷原子物理的发展和广泛应用。1987年，Phil lips研究组利用光学阻尼将钠原子冷却到43“K,远低于多普勒极限温度。他们使用3种不同测量方法,证明测得的温度无误。很快,其他研 究组的实验也证实了这个结果。这种超乎预期的实验结果表明,原有的多普勒冷 却理论已经不足以解释新的实验现象。巴黎高等师范学院Cohen-Tannodji研究 组和朱棣文研究组在理论分析中考虑了冷却激光的偏振梯度、原子的超精细结 构、光频移和光抽运等效应,解释了这种突破多普勒极限的冷却机理,称为亚多

5、普勒冷却或Sisyphus冷却。在亚多普勒冷却理论指导下，通过实验参数优化， 原子冷却温度纪录不断被打破，1990年，铯原子的温度冷却至2.5“K,接近光 子反冲极限温度。Cohen-Tannodji研究组提出一种突破光子反冲极限温度的方案，选择速度接近 为0的原子进入“暗态” ,不与冷却激光发生作用,避免光子反冲的影响,称为 “速度选择相干布居囚禁”（VSCPT）。他们在实验上利用氦原子分别实现了一 维、二维和三维VSCPT,获得远低于光子反冲的冷却温度，1997年报道的数据达 到5 nKo朱棣文研究组利用受激拉曼跃迁将原子的冷却温度降至低于单光子反 冲极限温度，1996年，Cohen-Ta

6、nnodji研究组也利用这种拉曼冷却方案将铯原 子的一维温度冷却至3 nKo激光冷却与囚禁的研究经过了 10多年的发展（图I）,从提出最初理论方案到 实验初步实现原子束的减速和光学阻尼，到实验冷却温度超越了多普勒冷却理论 的预想，新的理论又推动了激光操控原子技术的进步，展示了科学发展的丰富多 彩。1997年，瑞典皇家科学院把当年的诺贝尔物理学奖颁发给朱棣文、 Cohen-Tannoudji和Phillips，以表彰他们在激光冷却和囚禁原子方面所做的贡 献。激光冷却与囚禁技术普及和应用，有力促进了相关研究领域的发展，例如玻 色-爱因斯坦凝聚、冷原子钟、冷原子干涉仪等。I业妨和厲册图1激光冷却和囚

7、禁原子的发展历程激光操控原子的基本原理：散射力与偶极力激光对原子的操控依赖于光对原子的机械作用，这种作用源于光的电磁场性质， 且与原子的内部和外部状态相关。图2用简化为一维的模型介绍基本原理。一个 初速度为v0的原子受到一束反向的近共振频率红移光照射，当光的频率红移与 原子速度v0产生的多普勒频移大小相等符号相反，光与原子跃迁频率共振，原 子吸收1个光子（动量为hk）由基态跃迁至激发态，同时速度降低为v 0-hk/m， m为原子质量。处于激发态的原子在有限时间内发生自发辐射，回到基态，自 发辐射光子的方向随机。回到基态的原子将再次与光作用，形成循环跃迁。由于 自发辐射光子的方向随机，原子n次（

8、n足够大）作用自发辐射的累积平均 动量为0，经历n次受激吸收，原子的速度变为v 0-nhk/m，实现激光对原子 的减速。以钠原子为例，室温时初始速度为105 cm/s，n次作用原子的速度变化为 3ncm/s，单次作用时间为32 ns （与钠原子激发态的寿命有关），单次作用的加 速度约为105g （g为重力加速度）。因此，理论上经过1 ms时间，激光可使 钠原子的速度降为0。在上述过程中，光子通过不断被原子吸收和自发辐射，对应光子的散射过程或原 子的自发辐射过程，产生作用于原子的机械作用力，称为散射力或自发辐射力。 这种力的作用需要光频率接近原子的能级跃迁频率，才能产生和保持。光对原子 的另一种

9、作用力则不需要保持与原子近共振，称为偶极力。光场对原子的电磁作 用产生感生电偶极子，若光的频率大于原子跃迁频率，光的强度越高，对应原子 的势能越强，则原子受到指向弱场的梯度作用力；相反，若光的频率小于原子跃 迁频率，则原子受到指向强场的作用力。散射力与偶极力构成了激光操控原子的 基础，可以用来解释各种形式的激光冷却和囚禁方案。塞曼减速利用激光对原子的散射力可以实现对原子束减速，实验上可采用一束与原子跃迁 频率负失谐的激光，反向照射原子束，按照图2所示的原理，可以降低原子束的 速度。然而，原子速度降低后，多普勒频移与激光频率失谐不再相等，光对原子 的减速作用无法持续，不能有效降低原子速度。Qi品

10、Hrth) !； 1-VvtKifII筑躺肘图2激光对原子的散射力示意为提高原子束的减速效率，需要在减速过程中连续地补偿多普勒频移。采用 的一种方案是连续扫描激光的频率，使激光与原子跃迁频率持续保持共振；另一 种是保持激光的频率不变，利用磁场对原子塞曼效应，改变原子的跃迁频率，称 为塞曼减速。如图3所示，采用磁场线圈可以实现强度随空间变化的磁场，设计 磁场分布曲线，使原子跃迁频率的变化与多普勒频移匹配，原子在行进过程中与 激光持续作用，速度不断降低，实现激光减速过程。图3原子束塞曼减速示意（a）和磁场分布曲线（b）光学阻尼与磁光阱：光学阻尼基于多普勒冷却的原理。图4表示一维多普勒冷却 的原理，

11、原子团处在两束频率相同的对射激光组成的一个驻波场内，激光频率相 对原子跃迁频率红移，由于多普勒效应，原子在更大的概率上与反向传播的激光 作用，导致减速，实现多普勒冷却的过程。 -图4多普勒冷却的一维示意多普勒冷却原子的速度不会降至绝对静止，减速是原子和光子交换动量的过程， 原子因吸收反向的光子动量而减速，自发辐射光子时，又在光子的反方向得到一 个反冲动量。尽管多次自发辐射最后的平均动量为0,但原子却一直在动量空间 作无规行走，类似于“布朗运动”。冷却过程中原子速度起伏涨落，导致原子的 加热。原子的最终温度决定于冷却与加热的平衡，即多普勒冷却温度极限，理论 上一般在几百口K量级。图5为钠原子光学

12、阻尼的实验和结果。先利用一束反向激光作用至热原子 束，将原子束中大部分钠原子的速度由200 m/s降低至20 m/s，然后关闭减速 激光，让原子漂移到真空室中心的光学阻尼区（图5 （b）。关闭光学阻尼， 释放原子团一段时间，再次打开光学阻尼，测量原子温度为240 （+200, -60） 口K,达到多普勒极限温度。图5光学阻尼的实验装置（a）和原子团成像（b）光学阻尼不是势阱，它对原子运动产生阻尼减速，不产生指向中心的恢复力，无 法起到囚禁原子的作用。在光学阻尼上添加2个线圈（图6 （b），通以方向相反的电流，可在光学阻尼中心形成磁场强度为0的反亥姆霍兹磁场，就构成了 磁光阱(MOT)。原子的磁

13、子能级在磁场塞曼效应的作用下分裂(图6(a)， 假定原子基态总角动量J=0，激发态J=l，含有m=0， 1这3个磁子能级，在中 心处能级简并，沿水平坐标轴离开中心随磁场强度的增加而线性变化。沿z轴 对射激光作用至原子，频率为sL,相对零磁场处原子共振频率的失谐为5 0， 偏振分别为。+、。-。假定原子初始状态位于z0(z00)，由跃迁选择定则。+激光的失谐为5+,。-激光的失谐为5-在z00处5 -5+，原子更多地 吸收o-光子，从而受到趋向于中心的负向力。同理，处于z0 H iair ikitc si ui -e-.iM图11冷原子干涉仪原理（a）和原子干涉条纹（b）1992年，该研究组利用冷原子干涉仪测量了重力加速度，1999年重力加速度 测量的灵敏度达到2X10-8 g （1.3 s）,超过了落体角锥光学重力仪的指标。 此后，该冷原子干涉仪实现原子的/m参数、Sagnac效应、重力梯度等测量。受 激拉曼冷原子干涉仪得到广泛关注，中国多家单位，如中国科学院武汉物理与数 学研究所、华中科技大学、浙江大学、中国计量科学研究院等也已实现这种原子 干涉仪的研制。