激光冷却与捕陷原子的方法_1997年诺贝尔物理奖介绍

1、激光冷却与捕陷原子的方法1997年诺贝尔物理奖介绍3王义遒(北京大学电子学系,北京100871摘要介绍了1997年诺贝尔物理奖的获奖工作激光冷却与捕陷原子的方法,其中主要有光学粘团、亚多普勒冷却、亚反冲冷却、激光原子阱等.叙述了它们的物理原理、重要意义及其应用.关键词激光冷却,激光,捕陷,光学粘团31997-12-1收到初稿,1997-12-9修回LASER COOL ING METH ODS AN D AT OM TRAPPINGAN INTR OD UCTION T O THE 1997N OBE L PRIZE IN PH YSICSWang Y iqiu(Depart ment of

2、Elect ronics ,Peking U niversity ,Beijing 100871Abstract The work of the winners of the 1997Nobel Prize in Physics is briefly reviewed.The principles of the methods for laser cooling and trapping of atoms ,such as optical molasses ,sub -Doppler cooling ,sub 2recoil cooling ,laser trapping of atoms e

3、tc ,are described.Their significance and possible applications are presented.K ey w ords laser cooling ,laser trapping ,optical molasses1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布,1997年诺贝尔物理奖授予49岁的美国斯坦福大学朱棣文(Stenven Chu 教授,69岁的法兰西学院和巴黎高等师范学院C.C.达诺基(Claud Cohen Tannoudji 教授,48岁的美国国家标准技术研究院的W.D.菲利浦斯博士(Willian D.Phillips ,以

4、表彰他们在发展原子的激光冷却和捕陷方法上所作出的杰出贡献.什么是原子的激光冷却与捕陷?这种方法在科学技术的发展上有何重大的意义?本文试图对此作简要说明.有兴趣的读者可以阅读一些综述文章1和其他参考文献.1重大意义物理学的基本任务是研究物质的基本结构及其最一般的运动和变化的规律.要开展研究,就要把研究对象拿在手,进行仔细的观察和测量.对原子和分子来说,这简直不可能.根据分子运动论,在常温下一切原子、分子都在高速运动.以空气中的氢分子为例,室温下均以1100m/s (4000km/h 的速率运动,即使降温到3K (-270,它们仍以110m/s (400km/h 的速率运动.这样的高速粒子如过眼烟

5、云,很难观察,测量也必然带来严重误差.而且在降温时,一般原子会凝结成液体和固体,这时原子间有强烈的相互作用,其结构和基本性能都将发生显著变化.如何使原子分子的运动速度降至极小,甚至接近于零,又使它们保持相对独立,很少相互作用,这是物理学家的一个梦想,也是物理学上的一大难题.激光冷却与捕陷原子技术的发明使这个难题基本解决.现在人们已可使原子温度降到10-10K量级而仍保持气体状态.这是人们操控物质粒子的极大成就.激光冷却与捕陷方法开创了原子分子物理和光与物质粒子相互作用领域的新的可能性,使测量精度大大提高.其实例之一是原子钟.现在的时间单位秒是由铯原子频率基准来体现的.由于原子高速运动所引起的谱

6、线的多普勒频移和增宽、碰撞频移和增宽以及渡越增宽(决定于原子与辐射场相互作用时间,使复现基准频率和时间(即精确测定铯原子基态超精细结构分裂值的误差一般1×10-13.现在利用激光冷却和捕陷原子方法做成的原子喷泉,已使频率基准准确度达到10-15数量级2,将来可望达到10-16.这是原子测量的光辉成就,对检验广义相对论、引力波等物理理论,开展精密定位、导航和深空探测等应用具有重要意义.物质粒子的德布罗意波长在室温下一般很小,难以呈现它的波动性;但在k的低温下,粒子平均动量极小,德布罗意波长可达到和可见光波长相比或更长,粒子就会呈现波动性.这时就可使原子束呈现普通光束所具有的反射、聚焦、

7、衍射、干涉等现象,从而开辟了“原子光学”的新领域.利用低速原子构建的原子干涉仪,可使重力加速度g值的测量精确度达到10-10数量级,还可实现纳米级的微细加工,开发原子印刷和刻蚀的新工艺,对未来微电子学的发展将带来深远影响.当原子冷却到足够低的温度时,原子的德布罗意波长大于它们之间的平均距离,原子群会进入一种特殊的状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚.这时所有的原子都处在能量最低的量子态,原子之间互相相干.在稀薄气体中,这种玻色-爱因斯坦凝聚的原子间相互作用极弱,因而可以对其特性进行精密的研究.目前对这种状态有些什么样的优良特性和应用前景尚不十分明确,但人们利用激光冷却和捕陷已实现了这种状态3.1997

8、年初,人们更成功地把原子一个个地从玻色-爱因斯坦凝聚态中取出来,形成相干的原子束,这好比激光束中的光子,因而称为原子激光4.人们已预期可用原子激光做成精度更高的原子钟.它的进一步的用途尚在探索之中.可以肯定,这一新物质状态将给科学技术带来广阔的前景.2光学粘团激光冷却依靠光对原子的机械作用力.差不多在一个世纪之前,物理学家就已经认识到光对实物粒子有这种作用了,这就是光压.正是它使慧星尾巴永远背向太阳.但是,光对原子运动进行有效的人为控制却只是在激光问世以后.1975年,亨斯(Hansch和肖洛(Shawalow提出了用两束互相对射的激光冷却中性原子的建议.设想一原子沿x方向以速度v运动,激光束

9、以-x方向迎面射向原子.原子会吸收激光光子,但这种吸收有共振作用,即光频率等于原子本征频率0时吸收几率最大.由于多普勒效应,原子感受到的激光频率为=(1+ v/c,c为光速.因为vc,原子以最大几率吸收的光频率应为=0(1-v/c,即光频率应调到负失谐<0处.光子带有动量p=h/c, h为普朗克常数.原子吸收光子后获得其动量,在设定情况下,光子动量与原子动量反向,原子将损失动量而减速.原子吸收光子后将自发辐射释放荧光光子,此过程是各向同性的.一般原子每秒可吸收发射上千万个光子,每次吸收激光光子是定向的,发射荧光光子是无规则的(其平均动量变化为零,原子就会迅速减速而冷却(k T=m v2,

10、k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度.这种冷却称为多普勒冷却,冷却力称为耗散力或自发辐射力.由于每秒吸收发射次数很多,这种减速力是很大的,对钠原子的589nm 的共振光而言,其减速效果相当于十万倍的重力加速度!若原子沿x轴作一维无规运动,速度有大有小,有正有负,用方向相对的两束负失谐的激光照射,则原子优先吸收迎面来的激光光子,从而降低速度达到冷却.图1显示这种情况下原子所受的力,可见力的方向总是与速度方向相反,因而是阻尼力,原子速度就会趋于零. 图1多普勒冷却机制(a一个原子在沿两束负失谐为的对射激光驻波场中运动;(b低激光强度时,由于激光负失谐,原子感受到来自反方向的平均作用力,这种静摩擦力可以冷

11、却原子.速度为零时摩擦力曲线斜率等于摩擦系数把一维情况扩展到三维,从上下左右前后有6束激光射向原子,会发生什么情况呢?为此,1985年在贝耳实验室的朱棣文小组做了一个实验(见图2.他们用6束激光照射到从原子束上减速下来的钠原子团上,测量了6束激光交汇处冷却下来的原子团的温度,结果为240K.显然原子速度并未冷却到零,它们仍在作微弱的但却是可观的运动.这一结果并非意外,实际上原子温度不可能冷却到零.原因是原子吸收光子损失动量后还会发射光子而得到一无规的反冲动量.这发射的光子还可能被邻近原子吸收而使它又得到一无规动量.在6束激光交汇区,原子和光子不断吸收发射,交换动量,处于互相胶着的状态.它们分别

12、作类似于布朗运动的无规行走,从一处扩散到别处.朱棣文把这种原子光子的胶着状态称为光学粘团(op2 tical molasses,因为它犹如一团糖浆,糖分子在其中作扩散运动而无法逃脱.不太复杂的统计物理理论可以计算出光学粘团中这种吸收冷却和无规发射加热所达到平衡时的最低温度.当负失谐量(=0-等于原子共振谱线的半宽度时,k T min= /2,为谱线的自然宽度.这个最低冷却温度T min称为多普勒冷却极限.对实验中常用的23Na,87Rb,133Cs和4Ne原子而言,T min分别为240,144,125和23K,朱棣文小组继激光减速原子束(包括W.Phillips和J. Hall两组的工作之后

13、,第一次实现了气体原子的激光冷却,为此后的研究工作开辟了诱人的 前景,大大推动了此领域的研究.图2带有正交激光束和脉冲原子束的真空反应室原理图(原子束由一10ns双倍频的YA G激光蒸发一固态钠薄片产生.液氮冷却的隔板是一有效的低温泵,反应室的真空度2×10-8Pa3亚多普勒冷却朱棣文的光学粘团实验引起了科学家的兴趣,许多人重复他的工作.1987年美国国家标准局菲利浦斯小组重复了他的试验,测得的温度竟低达约40K,即仅为多普勒极限的1/6.这一结果是惊人的,为了检验他们的实验结果确实无误,他们采用了3种测温度方法,其中有后来被此领域科学家广泛采用的精确的飞行时间法.该方法是把光学粘团

14、的激光束关断,让原子团在重力场中自由下落,在一定距离处设一探测激光束,根据下落原子发出的荧光判定接受原子的多少.温度使原子速度分散,根据不同时间接受到的原子的多少以确定原子的速度分布,从而推出温度.所有这些方法都测得实验中的原子粘团温度约为40K.确定无疑的结果使C.C.达诺基和朱棣文等重新思索多普勒冷却极限理论的正确性.他们几乎同时认识到,这一理论过于简单,它是基于原子只有两个能级(一个基态和一个激发态之上的.实际上,实验中所用原子,如钠、铯等,基态都有两个以上能级.在一定的偏振光作用下,原子会自动集中到某一子能级.这种现象称为光抽运效应.光波的电矢量方向决定激光的偏振方向.可以想象,在光学

15、粘雾6束激光交汇处,光的偏振状态不是整齐有序,而是随地点而变化的,即具有“偏振梯度”.若在一定偏振光作用下原子倾向于落在能量低的能级,则随着原子的移动其所感受的光场偏振变化就意味着它在光场中的势能有所增加,而这只能靠降低其动能来得到补偿.这样原子在运动中将丧失动能而减速冷却.此后,原子又会在光作用下激发,而下落时又将处于最低能态,在以后的移动中又进一步丧失动能.如此往复,原子一次次在光势能场中爬坡、激发,下落到最低能态,如同古希腊神话中西西弗斯(Sisyphus被罚推石上山,到达山顶后又滚下,如此周而复始,能量大损.所以这种机制又称西西弗斯冷却.图3是一种一维偏振梯度的特例:原子两个能级的能量

16、随光场偏振状况不同而变动(这实际上是能级“光频移”的变动,原子从最低能量态移动时总是沿势能曲线爬坡,遇光激发后又抽运到最低能态,如此往复.这种机制使已经多普勒冷却的原子进一步冷却,其极限温度与激光的强度和频率失谐量有关,原则上可以达到与吸收和发射一个光子所带的反冲动量相对应的最低值,即k T=(h2/mc2.这个最低温度称为反冲极限.对钠原子,T min为214K;对铯原子则为012K.除了偏振梯度冷却以外,还发现了另外一些亚多普勒冷却机制,它们都利用了基态多能级结构、光抽运、光频移、磁共振等效应.这些新机制的发现,使激光冷却原子技术更丰富多样.4亚反冲冷却上述原子冷却机制都包含了光子的吸收和

17、发射,因而和交换光子动量相联系,其冷却温度受反冲极限所限制.1988年,C.C.达诺基与其同事发明了一种绕过这种极限的冷却方法,称为速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT,其原理示于图3. 这里以相反方向作圆偏振的光图3西西弗斯冷却机制(原子在激光偏振场中沿势能曲线爬坡,到达势能最高点处又被光抽运到最低能态.平均地说,原子爬坡几率比下坡几率大,原子就会损失动能,从而速度降低.在如图所示的这种情况,原子损失动能最大,因为原子运动1/4波长所需时间刚好等于光抽运时间p(+,-,以同一频率从相反方向照射原子.原子基态有3个简并能级,在圆偏振光作用下, g+,g-能级可以与激发态e0耦合,双光子受激辐射

18、过程在这里起重要作用,原子可以从g+态吸收-光子,并通过受激发射+光子而过渡到g-态,反之亦然.这种过程虽可使运动原子损失两个光子能量,但由于正反方向有相等几率却不能使原子减速.但是,原子在激发后还可能通过自发辐射散射荧光光子,还是能使原子减速而冷却.当原子速度接近于零度时,g+和g-态可通过同时吸收+和-光而耦合处于相干叠加态,这时原子反而不再吸收光子,也不再发射荧光,称为处于“暗态”.这样,v=0的原子将长留此暗态.因此,一旦原子减速到接近于零,就捕集于此相干叠加态,原子在此态积累.C.C.达诺基小组利用此法于1988年把亚稳态氦原子一维冷却到2K,不仅远低于多普勒冷却极限,而且也仅为反冲

19、极限4K 的一半.严格地说,VSCPT 法仅是一种把速度为零的原子选择出来加以捕集的方法,但它可使冷却温度低于反冲极限,因而十分诱人.巴黎这个研究组于1994年又对氦原子实现了二维VSCPT 冷却,得到温度为250n K.1995年又实现了三维冷却,温度低至180n K 5. 图4速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT 原理(a 两束对射的+和-偏振激光和4He 原子作用,发生23s 1-23p 1跃迁;(b 原子的塞曼子能级和一些Clebsch -G ordan 系数.由于e 0g 0跃迁是禁戒的,几次荧光循环跃迁后所有的原子泵浦到g +和g -态,这两个能级的原子只能耦合到e 0态,这样一个

20、近三能级组态就形成了若如图4所示的原子能级中两个能级有能量差,且同时能与一个激发态实施光耦合,则利用类似上述速度选择相干布居数捕陷法可实现拉曼冷却.此时,两束对射的冷却激光束的频率差小于两个基态能级的能量差,则多普勒效应使速度为正向的原子以吸收-x 方向的激光而激发,受激发射的光子则加入到+x 方向的激光,从而使原子丧失两个光子的动量而减速.把两束有频差的激光方向反转,则对带-v 速度的原子起作用.此时原子已从原来基态一个子能级转到另一子能级,为了继续发生作用,用一抽运光束使原子回到原来子能级,这时原子速度已改变.为了有效减速,激光频率应作调整,以使与多普勒频移合拍.这样,拉曼冷却采用一连串的

21、频率和持续时间不断变化的拉曼光脉冲和抽运光脉冲相间的激光序列.如上述速度为零的原子则不再与激光作用.朱棣文用这种方法在斯坦福大学先后对钠原子实现了一维、二维和三维冷却,其所得温度分别为反冲极限的0125倍、114倍和5倍6.C.C.达诺基的小组则在巴黎高等师范学院将铯原子冷却到了218n K 的低温,仅为反冲极限的1/707.这是目前激光冷却的最低温度.速度选择相干布居数囚禁的方法是捕集速度为零的原子,其最终温度极限决定于相互作用时间,因而没有明确界限.朱棣文等曾利用钠原子喷泉方法,选择捕集到速度范围极窄的一群原子,其相应温度仅为24p K.5激光原子阱激光对原子的机械作用,除上述耗散力以外,

22、还有一种偶极力.这种力的本质如同磁铁吸针的磁力.针在磁铁作用下诱导出极性,其近磁铁一头极性与磁头相反,离磁铁一头极性与其相同.在磁铁的不均匀磁场作用下,吸力大于斥力,针就被磁铁吸引.在光场作用下,原子也会产生极性感应偶极矩,它可使原子吸引到光强最强处.是吸收还是排斥,取决于激光频率是低于还是高于原子共振频率.这种现象也可用原子能级的能量在光场中的移动光频移来解释.若光频率负失谐,则原子基态能级随光强度增加而向能量低处移动;反之,若为正失谐,则光强越大,基态能量亦越高.移动量与光强成正比.因此,当一束负失谐的高斯激光束通过原子气体时,原子就会自发向光腰处汇聚,因为光腰中心处光强最强,原子在光场中

23、势能最低,这就形成了激光原子阱.同时,若有一束负失谐的驻波激光束通过原子,原子会聚集到波腹处.但是,对实际激光束,这种势阱深度很浅,动能较高的原子就可以逸出阱外.若以温度来度量,则这种阱深一般在m K 量级,甚至更低.朱棣文等曾在激光冷却的光学粘团中加一束高斯激光束,把低温原子捕陷于光腰上,成功地展示了激光阱的作用.许多原子(如碱金属原子带有磁矩,可用不均匀静磁场捕陷原子 , 菲利浦斯等人曾成功 地实现了静磁原子阱 . 但这种阱的势能深度也 不大 ,只能囚禁低速原子 . 为了克服这个困难 , 巴黎高等师范学院 C. C. 达洛基小组的达利巴 (Dalibard 提出了一种磁光阱的建议 . 这种

24、阱把 激光和静磁场对带磁矩的原子的作用有机地结 合起来 ,可以得到几百 m K 的阱深 ,因而具有实 用性 . 1987 年 , 朱棣文和 Pritchard 合作成功地 对预先用激光减速的钠原子实现了磁光阱 . 1990 年 , 科罗拉多大学的 Wieman 竟能在气室 学粘团的设想曾给予了积极评价 . 他们的获奖 对增进我国开展激光冷却与捕陷原子工作将会 带来积极影响 . 致谢 作者感谢聂玉昕 、 杜祥琬和 物理 编辑 部提供的部分资料 . 参 1 (1987 ,36 ; C. N. Cohen - Tannoudji , W. D. Plillips , Physics Today ,

25、No. 10 (1990 ,33 ; S. Chu , Science , 253 (1991 ,861 ; S. Chu , Scientif ic A merican , No. 2 (1992 ,49 ; G. B. Lubkin , Physics Today , No. 1 (1996 ,22 ; 考 文 献 W. D. Plillips , H. J . Metealf , Scientif ic A merican , No. 3 中用磁光阱直接把低速原子捕集并冷却下来 . 这个实验大大简化了激光冷却与捕陷原子的技 术 ,使这种技术得以广泛地进入激光与原子分 子物理实验室 ,成为强有力的研究手段 . 我国 70 年代末 ,王育竹小组在中国科学院 上海光学精密机械研究所 ( 简称上海光机所 率 先开展了激光冷却原子的研究 ,并在 80 年代末 得到了钠原子束一维冷却温度 60 K 的好结 果 . 北京大学小组从 90 年代起开展了以原子喷 泉频标为目标的激光冷却原子工作 . 1996 年北 京大学和上海光机所小组分别实现了铯原子和 钠原子的磁光阱 . 1997 年北京大学小组进一步 实现了光学粘团 ,得到了 10 K 的铯冷原子团 . 上海光机所小组在原子干涉上也取得了成绩 . 这两个小组与 3 位诺贝尔