黃漢誠 郭力菡 李孟軒

摘 要：基于相關(guān)文獻(xiàn)，回顧了原子的激光冷卻及陷俘的實驗研究發(fā)展歷程;同時，對塞曼制冷和西西弗斯制冷技術(shù)原理進(jìn)行了總結(jié);最后，對于這些技術(shù)的未來發(fā)展提出了研究展望。

關(guān)鍵詞：激光冷卻; 陷俘; 科學(xué)史; 技術(shù)原理

中圖分類號：O41? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2020）1-196-001

17世紀(jì)初期，德國著名天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家—開普勒提出彗星尾巴總是指向遠(yuǎn)離太陽一端的原因可能是因為太陽光機(jī)械壓力的作用，這是光與物質(zhì)粒子之間相互作用的一個早期猜想。從此，人們迫切想了解這一規(guī)律的本質(zhì)，越來越多的科學(xué)家開始投入光與物質(zhì)粒子相互作用這一物理專題。兩百年以來，這個領(lǐng)域的研究進(jìn)程雖不顯著，但是給物理學(xué)界不斷帶來一些新的沖擊。進(jìn)入20世紀(jì)后，美國科學(xué)家康普頓通過研究x射線通過實物物質(zhì)時發(fā)生散射的實驗證明了光子具有動量。與此同時，一個新的猜想被提出，是否可以用光去減速原子呢？1929年，普林斯海姆提出通過反斯托克斯熒光對材料進(jìn)行制冷的設(shè)想，但遭到一些物理學(xué)家的強(qiáng)烈反對。其后，關(guān)于制冷方法是否違背熱力學(xué)基本原理的爭論持續(xù)了整整16年。1995年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室空間制冷技術(shù)研究組首次通過激光誘導(dǎo)反斯托克斯熒光在固體材料上成功地獲得了可被測量的制冷量。

1.塞曼制冷

上世紀(jì)70年代，激光制冷理論就在物理學(xué)界嶄露頭角，諾貝爾獎得主亞瑟·阿什金在其1970年的“利用共振輻射壓力使原子束偏轉(zhuǎn)”文章中就提出：這次試驗導(dǎo)致了用于捕獲原子的光勢阱的發(fā)現(xiàn)?；谒奈恼?，菲利普斯和梅特卡夫在1982年提出了塞曼頻移補(bǔ)償多普勒頻移，即由于原子的速度變小，速度和多普勒頻移成比例，因此，基于原子所觀測到的多普勒頻移顯著降低，從而使原子上觀測到的入射光頻率不等于原子共振頻率，不符合原子吸收光子的需求，以至于原子不能繼續(xù)吸收光子，導(dǎo)致持續(xù)性降速降溫失效。根據(jù)塞曼效應(yīng)，外磁場強(qiáng)度直接影響原子能級分裂距離，因此，就讓原子改變自身共振頻率以與觀測入射光頻率相等成為了可能。菲利普斯和梅特卡夫手工制造了一個分布不均勻的導(dǎo)線螺線管，利用整個螺旋管磁場強(qiáng)度遞減特征，進(jìn)一步控制共振頻率。在同一頻率下，光子被吸收時會起到阻礙原子定向運動的作用，從而使原子速度降低。

在這之后，菲利普斯和梅特卡夫設(shè)法成功地在一堆原子中選擇了速度較低的那一部分，氣體溫度大約為70mk。他們將減速之后的原子放置于由兩個反向電流流動電圈所產(chǎn)生的非均勻磁場中，由于原子具有磁矩，所以它們依然受磁場的作用。他們首先將制冷之后速度低于100m/s的原子送入磁陷阱范圍內(nèi)，通過400毫秒的激光脈沖照射，使原子速度降低至幾米每秒，此時給兩個線圈通電，形成磁陷阱俘獲原子。值得一提的是，這樣的實驗需要基于高真空環(huán)境才能更好地進(jìn)行，在當(dāng)時，菲利普斯和梅特卡夫在真空室中進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)不過一秒鐘，磁陷阱中一半的原子就因為真空中殘留的空氣分子而被撞出磁陷阱區(qū)域;當(dāng)他們切換實驗環(huán)境到高真空的時候，這個陷俘的半衰期得到了大幅度的提升，達(dá)到了1分鐘。

2.光學(xué)糖漿

光學(xué)糖漿實驗是把從六個方向（x，-x，y，-y，z，-z）射來的激光匯集在一個非常小的區(qū)域內(nèi)，此時無論這個區(qū)域內(nèi)的原子向哪個方向運動，都會吸收到這個方向上運動的光子，從而減速。首先提出光學(xué)糖漿這個概念的是美籍華裔物理學(xué)家朱棣文和霍爾伯格， 1984年他們利用啁啾制冷將減速的原子送進(jìn)了光學(xué)糖漿之中，根據(jù)這樣的實驗，他們成功地將0.2立方厘米中105個鈉原子冷卻到大約240μK的低溫，也曾探測到185μK的溫度（略低于多普勒極限的理論溫度）。

雖然朱棣文和霍爾伯格的實驗比較成功，但是光學(xué)糖漿中陷俘的原子個數(shù)依然十分有限（由于光學(xué)糖漿體積過小，勢阱也相對于之前的塞曼制冷較淺，因此，陷俘原子數(shù)量大約只有1000個原子左右），為了解決陷俘原子數(shù)量不足的問題，朱棣文和霍爾伯格在1987年與學(xué)生拉布合作，在光學(xué)糖漿的周圍增加了一個由通電線圈組成的球形四極磁場，此時作用力就會開始作用在原子上，指向陷俘中心，從而形成穩(wěn)定持久的原子陷阱。這次實驗改進(jìn)比較成功，因為改進(jìn)后的實驗成功地陷俘了107-108個原子。

3.打破多普勒極限

1988年，在第二次原子能大會期間打破多普勒極限的實驗方法被提出了，分別是飛行時間實驗法、噴泉實驗法、陣雨實驗法和釋放再捕獲實驗法。其中，飛行時間實驗法和釋放再捕獲實驗法最為成功，分別將原子成功降溫到43±20μk和45±20μk[1]。

釋放再捕獲實驗方法即為西西弗斯制冷，其原理是在磁場中原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級都能發(fā)生塞曼分裂。原子在外界光場照射下從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過程與原子的塞曼支能級的磁量子數(shù)有關(guān)[2]，也和光的偏振狀態(tài)有關(guān)。

在光學(xué)糖漿中，多束激光束的重疊會在一定區(qū)域內(nèi)形成偏振光區(qū)域，因此原子會周期性地進(jìn)入不同偏振光的區(qū)域，從而使原子不斷從內(nèi)部能量低的狀態(tài)吸收原子動能，從而使原子動能不斷下降，溫度不斷下降。

4.研究展望

總的來說，激光冷卻技術(shù)在現(xiàn)階段并不成熟，局限性主要在于其冷卻的空間很小，但是這一技術(shù)的發(fā)展對于現(xiàn)代科技的進(jìn)步無疑是有重大科學(xué)研究意義的。自上世紀(jì)后半段以來，原子冷凍技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如玻色愛因斯坦凝聚、超冷分子、大規(guī)模集成電路和空間遙感領(lǐng)域。

綜上所述，原子冷凍的技術(shù)前景廣闊，而且是物理界的一大熱門話題。在未來，該技術(shù)可能會是分子和原子物理學(xué)的重大突破口，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微觀物理學(xué)將會迎來下一個黃金時期。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔家?guī)X.激光冷卻與電子捕陷的發(fā)展線索[D]首都師范大學(xué)，2000

[2]潘篤武. 原子的激光致冷和陷俘研究的歷史[A]上海市科學(xué)技術(shù)史學(xué)會、東華大學(xué)，2006年上海市科學(xué)技術(shù)史學(xué)術(shù)年會論文集[C]上海市科學(xué)技術(shù)史學(xué)會、東華大學(xué)：上海市科學(xué)技術(shù)史學(xué)會，2006：5