第九讲 激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚

第九讲激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚燕山大学朱艳英目录激光冷却的原理激光冷却的发展历史绝对零度的定义原子束的减速和多普勒冷却三维多普勒冷却（光学粘胶）磁光陷阱波色-爱因斯坦凝聚的实现激光冷却的应用激光冷却的原理利用激光光子和原子间的动量传递,使原子云(团)的速度分布范围压缩。利用激光光场形成的势阱对原子进行捕陷或囚禁。通俗的说法：在光的传播路径上光会对物质产生一定压力—称之为光压，在进行冷却的时候用多束激光从不同方向照射目标体，使其粒子受到光压的作用，以阻止其热振动，从而达到冷却的效果。激光冷却的原理

众所周知，激光是高功率的光束，它能产生高温，因而有激光手术、激光焊接等应用。但是激光居然还能用来冷却，而且可以冷却到绝对温度百万分之一度(1/1000000)以下，却似乎有点不太好理解。

激光冷却法是现在最先进的冷却方法之一，可以打到非常接近绝对零度的超低温。

激光冷却的原理激光冷却涉及到多个物理原理，概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有的动量。另外，激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。

光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低。

原子的能级量子化原子可以吸收电磁辐射的能量，使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射，同时自身的能量降低。原子的能级量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。按量子理论，电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用。而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率，所以，只吸收和释放某些特定频率的电磁波，就意味着原子的能量只能取某些特定的值，故称为能级量子化。

激光的多普勒效应光与其它实物粒子一样，也具有动量。当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比，方向与光的传播方向相一致。

现在假设某种原子只吸收频率为ν0的电磁波。如果我们把激光的频率调在略小于ν0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率)，并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上，将会发生什么现象呢？激光的多普勒效应我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒效应，在这个原子看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调在略低于ν0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于ν0。这样，这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时，它同时也获得了动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反，获得的动量将使原子的运动速度变慢。

光学粘胶如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时，由于多普勒效应，这个原子看到的激光频率将降低，这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率，所以这个原子不会吸收激光的能量，也不会从激光那里获得使它加速的动量。如果我们多设置几个激光源，从多个方向照射那个样品。那么按上面的分析，无论样品的原子往哪个方向运动，它都只吸收迎面而来的激光，因而其运动速度总是被降低。这些原子就好象处在粘稠的粘胶(糖浆)中，它的运动一直受到阻挠，直到几乎完全停止。所以激光冷却装置又被称为“光学粘胶(糖浆)”。

激光冷却的发展历史1933年由Firsch用钠灯使钠原子束发生略微的偏转。1975年Hansch和Shawlow提出激光冷却1978年Ashkin提出原子俘获的想法1979年Balykin、Letokhov等啁啾激光原子束减速1982年Phillips等空间塞曼原子变频原子束减速

激光冷却的发展历史1985年朱棣文实现原子三维冷却1986年实现三维原子捕获（10-4K）1987年亚多普勒冷却(10-5K)1992年喇曼激光冷却1994年相干布居数囚禁实验(10-7K)1995年实现波色-爱因斯坦凝聚(nK)

激光冷却的发展历史控制、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子不停的热运动（104~105cm/s），要想实现控制、操纵，首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。由于在这方向上的突出成就，有关的科学家荣获1997年诺贝尔物理学奖。1997年诺贝尔物理奖授予：49岁的美国斯坦福大学教授朱棣文(SCchu)；69岁的法国巴黎高等师院C·C·达诺基教授(CCTanoudji)；48岁的美国国家标准局 W·D·菲利浦斯(WDPhillips) 以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡献。

激光冷却的发展历史1917年，爱因斯坦在有关黑体辐射的文章中指出：自发辐射过程中会有动量转移。

激光冷却的发展历史1933，弗里斯(Frisch）观察到：钠灯照射钠原子束，可使钠原子束轻微偏转；。

激光冷却的发展历史1975年，汉斯（Hansch）肖洛（Schawlow）提出激光冷冻原子的思想：用处于多普勒加宽线型低频端准单色激光照射原子，可使其损失动量而减速；

激光冷却的发展历史巴里克恩（Balykin）、里特考夫（Letokhov）首次观察到激光减速原子效应；

激光冷却的发展历史1980~1981年，米纳根(Minogin)用激光扫描法比较显著的实现原子束减速达：1.5K1982年，菲里普斯（Philips）显著的原子减速100mk

激光冷却的发展历史1985年，Migdall：实现17mK;

激光冷却的发展历史1985年，(StenwenChu):用不同的方法(二维光学势阱和磁光量子阱)实现240μk

激光冷却的发展历史1988年：（Aspect）速度选择相干捕陷2μK1992年:(Kasevech):Raman冷却100nK1995年：(Anderson)：磁光量子阱+蒸发冷却20nK2003年09月12日16:37：由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组，在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5nK的温度。

绝对零度绝对零度，理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能(即原子的速度为零)。把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度（absolutezero）。热力学温标的单位是开尔文（K）。绝对零度是热力学温标（绝对温标）的零点。绝对零度可以达到吗？根据热力学第三定律：不可能通过有限的连续过程达到绝对零度。换句话说绝对零度是不可能通过实验手段达到的，我们只能无限度地逼近它。

绝对零度下表就是最近100多年来人类逐渐向绝对零度逼近的过程。（数据主要来自：泽门斯基和迪特曼的热学和热力学，M.W.ZemanskyandR.H.Dittman,HEATANDTHERMODYNAMICS,1981）

最低温度的意义开尔文是热力学温度单位，简称“开”，1开刻度相当于1摄氏度刻度，1纳开等于十亿分之一开尔文。0开即绝对零度是温度的极限，相当于零下273.15摄氏度，在这种温度下，分子将停止运动。

最近一次达到的最低温度(2003年09月12日16:37)由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组，日前改写了人类创造的最低温度纪录：他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。

最近一次达到的最低温度这个科研小组在新一期美国《科学》杂志上发表论文介绍说，他们是在利用磁阱技术实现铯原子的波色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的实验过程中创造这一纪录的。参与研究的科学家大卫·普里查德介绍说，将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对于精确测量具有重要意义，他们的此次实验成果有助于制造更为精确的原子钟和更为精确地测定重力等。

最近一次达到的最低温度玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。要实现物质的该状态一方面需要达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文曾因发明了激光冷却和磁阱技术制冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。

最近一次达到的最低温度科学家说，他们希望利用新达到的最低温度发现一些物质的新现象，诸如在此低温下原子在同一物体表面的状态、在限定运动通道区域时的运动状态等。因发现了“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”这一新的物质状态而获得了2001年诺贝尔物理学奖的德国科学家沃尔夫冈·克特勒评价说，首次达到绝对零度以上1纳开以内的温度是人类历史上的一个里程碑。2003年09月12日16:37德、美、奥等国科学家组成的科研小组达到了绝对零度高0.5纳开尔文的温度。原子束的减速利用共振激光与原子束对射，在原子受激吸收过程中，光子的定向动量传给原子，使原子减速。然后，原子自发辐射回到基态。这时，发射光子方向是任意的，从大量平均效果来说，自发辐射对原子动量改变贡献为零。

多普勒冷却

对于钠原子束600°K，平均速度在1000米/秒，每吸收一个光子速度改变3厘米/秒，需要吸收3×104个光子才能将原子速度减至零。但由于多普勒效应的影响，冷却过程中原子共振频率是不断变化的，原子吸收100个光子由于多普勒频移的改变就会离共振。使冷却过程终止。

各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却

实验由三对相向、频率满足Δω=ω-ω0=K·v<0，即多普勒线型低频端（红移）

激光扫频法：(FrequencyChirping)基本思想是让冷却激光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。

这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。

激光冷却原子在科学上的意义大大提高了高分辨率激光谱研究精度。从而有力推动原子、分子物理学的进步。当原子运动速度接近至0，将被捕获在一个小区域，一切由原子热运动造成的谱线加宽（多普勒加宽、碰撞加宽、渡越加宽、相对论加宽等）都将被消除。原子谱线只有由能级跃迁的量子性质决定的自然加宽。同时由原子被捕获区域可以长时间的观测到，提高观察灵敏度和精度。激光冷却原子在科学上的意义开辟了新的原子、分子物理和光物理的研究领域。例如在研究光场和原子相互作用的基础上，形成了原子光学的新分支。借助光场可以使中性原子聚焦、准直、反射、分束、偏转。 由于冷原子的德布罗意波长λP=h/p=h/mv（v：原子速度，m：原子质量）较长，还可以研究原子干涉，原子衍射等物质波现象，形成德布罗意光学。激光冷却原子使原子钟的精度提高2~3个量级。激光冷却原子在科学上的意义第一、激光冷却原子最基本的思想是：原子对光子吸收再发射，动量守恒和能量守恒。第二、多普勒冷却激光频率ω=ω0+K·V，满足ω-ω0 =K·V<0；第三、光学粘胶。可以冷却任意方向速度的原子，是该研究领域的一次突破，美籍华人朱棣文在这方面做了开创性的工作；第四、冷冻原子在高分辨率光谱学，量子频标，原子、分子物理学新分支（原子光学、德布罗意光学）玻色~爱因斯坦凝聚等方面应用前景广阔。

原子钟

原子钟诞生于50年代，是时间标准发展史上一次巨大的飞跃，它利用了原子量各能级的辐射跃迁h

ν

=E2-E1

。ν=(E2-E1)/h是相关跃迁的频率，它是原子的固有频率。

优点：由于原子存在的普通性、长久性、能级的稳定性，原子钟的固有频率ν是确定的。

由于Cs原子的核磁矩不为0，它的基态超精细结构有两个子能级，分别用量子数F=3，4表示。这两个能级间的跃迁频率为9.2GHz，正处于微波区，可以作为频率标准，其作用相当于石英钟的石英片。

原子钟

1967年在零磁场下原子基态两个精细结构之间的跃迁频率作为国际通用的频率标准。

1秒定义为相应的电磁波持续9192.631770个周期的时间，即原子秒。

我国原子钟1981年鉴定（中国计量学院）铯原子钟装置Laserfusion激光核聚变中东战争、油价上涨、能源危机、温室效应寻求更丰富、更廉价、更清洁的能源—核能激光核聚变

Laserfusion激光核聚变氢元素的原子核（D氘-H2，T氚-H3）可控制地在高温下聚合成重原子核，发出大量能量

可控氢弹

氘+氘——————氚+质子+4Mev

点火条件

(4亿度维持1秒）1克氘聚变可产生10万度电能

Laserfusion激光核聚变

激光聚变的四个阶段

美国核聚变装置图

上海光机所神光Ⅱ号装置

2005年诺贝尔物理学奖获得者德国特奥多尔.亨施(63岁)---激光的精密光谱学发展美国约翰.霍尔(71岁)---激光的精密光谱学发展美国罗伊.格劳贝尔(80岁)—对光学量子理论做贡献朱棣文

——华裔诺贝尔奖得主学生时代中学时，朱棣文的成绩不算拔尖。但上了大学以后，朱棣文说：“我不光是学书本上的东西，而是自己想学的就下功夫学。”结果朱棣文成了最优秀的学生。朱棣文是在中西文化共同浸染下成长起来的，他继承了中西文化的精髓，他的内心深处既有西方人的率真、幽默，也有东方人的谦虚、含蓄。他不是那种木讷型的科学家，而是一个性格活泼开朗、充满风趣的人。生平简介祖籍中国江苏太仓。1948年2月28日出生在美国的密苏里州圣路易斯。1970年毕业于罗彻斯特大学，获数学学士和物理学学士。1976年获加州大学伯克利分校物理学博士。１９８７年，他到斯坦福大学任物理学教授，是该校第一位华裔教授。

１９９３年６月，他当选美国国家科学院院士。

生平简介１９９７年，朱棣文因发明用激光冷却和俘获原子的方法获得诺贝尔物理学奖。２００４年８月起，他担任劳伦斯·伯克利国家实验室主任，是首位掌管这个美国能源部下属国家实验室的亚裔人士。１９９８年６月，朱棣文当选为中国科学院外籍院士。于