探索波色·爱因斯坦凝聚的研究历史

精品文档-下载后可编辑探索波色·爱因斯坦凝聚的研究历史在20世纪70年代中期，激光冷却与捕陷中性原子技术的研究，使人类进入了一个空前的超低温时代。在这个新领域中，人们在实验室中发现了新的物态，即玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），同时发现了一系列新的物理现象。一些新的学科和领域，如超冷原子物理、原子光学、波动原子光学、量子原子光学、微结构集成原子光学、非线性原子光学等相继兴起，并呈现蓬勃发展的趋势，它们都已成为物理学的热门研究领域。

最初，多普勒冷却被人们认为是激光冷却原子的唯一机制，即认为多普勒冷却的极限温度就是原子可以获得的最低温度。在1998年，Phillips实验小组报道了原子低于多普勒冷却的极限温度的三维“光学黏胶”，其极限温度达到了约40，这一温度远远低于原子的多普勒冷却的极限温度[2]。不久以后，Cohen-Tannoudji实验小组也证实了“光学黏胶”的冷却温度远远低于多普勒冷却极限温度[3]。这一实验结果，充分说明了目前对激光冷却机制的理论研究工作不完善，仍需进一步的探究。因此，一些学者们在此基础上又提出亚多普勒冷却机制[4]，主要包括偏振旋转导致的运动诱导原子布居冷却以及后来的磁感应冷却等[5]。

激光冷却与囚禁原子原理实际上就是光场对原子的作用力，即机械作用。Ashkin[6，7]和Letokhov[8]等人首先提出了激光对中性原子会产生偶极力和散射力，并且它们是可以观测到的机械作用力，但这两种力实际上性质不同。在这个理论基础上，在1975年，Wineland与Dehmelt[9]和Hansch与Schawlow[10]分别提出了对中性原子和囚禁在电磁阱中的离子的激光冷却实验方案。从此以后，实验研究随之蓬勃开展起来。

1光阱

光阱的理论原理和激光捕获微粒的原理，实质上是一致的。当激光和原子相互作用时，原子会吸收光子，并且在辐射光子时就会受到沿光束前进方向的散射力的作用。在近共振光场的作用下，原子会产生感生电偶极矩，电偶极矩又会与光场发生相互作用，此相互作用不仅会使原子受到梯度力的作用，而且还将会导致原子能级的产生与光场强度及偏振有关的能级移动，也就是光频移。若光场中分布着非均匀的光强，那么原子的能级就随着空间的光强变化而呈现一定的分布。由于负失谐时光频移的结果是使光强最强处成为原子势能的最低点，因此在激光束为负失谐时，偶极力将会把原子推向光强最强处；相反地，在激光束为正失谐的情况下，因为正失谐时光频移的结果是使光强最弱处成为原子势能的最低点，所以偶极力又会把原子推向光强最弱处。据此，Letokhov等在1968年提出通过驻波光场的偶极力来俘获原子的办法[25]。

利用散射力和偶极力相结合的方法可以实现原子光阱。朱棣文等人于1986年在大小约为温度的三维原子“光学黏胶”的情况下，利用大负失谐量的强聚焦基模高斯激光束，第一次成功地在实验中实现了原子光阱。

2磁阱

根据经典的电磁理论，用[27]来表示不均匀磁场对磁偶极矩的作用力。由此，可利用特定结构的磁场系统将磁矩不为零的中性原子俘获在磁场的极小值处。最简单的中性原子磁阱的实验装置由一对通以恒定直流电流的同轴反向亥姆霍兹线圈所组成。在两线圈之间轴线上的中点位置上磁场强度为零。以此点为起点沿着任意方向前进，都会使磁场强度增大。实验中，在应用磁四极阱的时侯，必须先将经过一维激光冷却的慢原子束漂移至磁阱的中心位置上，然后利用近共振的激光脉冲把原子的漂移速度几乎降低至零，与此同时，接通两线圈的电流，就可以在磁四极阱中心实现原子冷却。原子的磁四极阱[26-28]是由Metcalf小组在1985年第一次在实验中成功演示。

当原子在阱内运动时，由于原子在磁四极阱中的受力情况跟原子的磁偶极矩与四极磁场之间的夹角有关，所以必须保持这一夹角基本不变，才可以使原子受到的磁场力指向磁阱的中心位置上，近而成功地将原子在阱中俘获。但是实际上，一般情况下这个条件是很难达到的。

的Zeeman子能级上的原子势能的极低点在磁四极阱的中心位置上。当阱中处在的Zeeman子能级上的原子运动到磁四极阱的中心位置时，因为，磁阱中心处的磁场强度为零，所以可通过Majarona跃迁过程使其跃迁到或的Zeeman子能级上。对的Zeeman子能级上的原子，该点与原子势能的极大点相对应。在此情况下，原子将在磁场的作用下被推出阱外，这样就会导致阱中原子的泄露。

上文中所提到的漏洞将对阱中原子密度的增加起到严重的阻碍作用。为了克服这一阻碍作用，人们研究出了很多种方法。比如，为了克服Majarona跃迁所引起的原子泄露，Pritchard小组是通过增加均匀偏置磁场的方法，在真空度更高的情况下将磁四极阱中的原子成功地俘获了约[29].而Corell小组则是利用增加旋转偏置磁场的办法，使得处在的Zeeman子能级上的原子被旋转磁场形成的等效时间平均势所约束，使其不能再进动到或的Zeeman子能级，这样就成功地解决了磁四极阱中原子的泄露问题[30]。原子的交流磁阱的设想是由Lovelace等提出的，而相应的实验工作却是由Wieman小组第一次完成[31]。

3磁光阱

世界上第一次成功实现激光场与梯度磁场相结合的中性原子磁光阱，是Raab和他的助手们利用原子实现的[34]。随后，Wieman实验小组在1990年利用半导体激光器在原子系统中实现了世界上首个直接工作在原子室中的中性原子磁光阱[35]，这种技术很大程度上简化了磁光阱的实验装置与相关技术。Ketterl等人在1993年[36]又提出了可以有效地提高阱中所俘获原子的密度的方案，即所谓的“暗磁光阱”方案。

目前，在国外已经有很多研究小组先后构建了各种不同原子的磁光阱实验装置，并在试验中成功地将多种中性原子俘获。在国内，也有很多地方都在做这方面的研究工作。其中取得一定的实验成果的有，山西大学光电研究所是采用磁光阱的方法获得了冷原子样品[37]，北京大学和上海光机所后来也分别报道了原子和原子磁光阱的实验结果。除此之外，国内还有浙江大学、中国科学院物理研究所、中国计量科学研究院德等也做了激光冷却与俘获方面的工作。

在科学实验上，激光冷却和捕陷原子的研究具有重大的意义。它能很大程度提高分辨率和光谱研究的精度