世界量子日｜你沒看錯(cuò)！激光真的可以冷卻粒子！

早在中學(xué)物理課堂上，物理老師就告訴過(guò)我們，生活中接觸到的物質(zhì)通常是分子或者原子構(gòu)成的，而原子則是保持物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)的最小單位。舉個(gè)例子，游樂場(chǎng)所售賣的氦氣球中的氦氣，就是由氦原子構(gòu)成的單原子分子。這時(shí)候，氣球中的氦氣看起來(lái)像是完全靜止一般，然而其內(nèi)部的氦原子時(shí)刻處于不停歇的“熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，并且隨著環(huán)境溫度的升高，這些微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)速度也不斷增大。

說(shuō)出來(lái)可能各位小伙伴不太相信，即使將這個(gè)氦氣球放在漠河最冷的氣溫下（-53℃，即大約220 K的溫度），其內(nèi)部的氦原子也在以超過(guò)每小時(shí)120 千米的速度進(jìn)行高速隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，這些微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)速度堪比高速公路上的小汽車！

因此，科學(xué)家們?nèi)绻刖_地調(diào)控單個(gè)原子，就不得不先將這個(gè)原子冷卻到接近絕對(duì)零度的水平（約為-273.15℃，即0 K），只有這樣才盡可能讓原子乖乖地靜止下來(lái)。那么，我們?cè)撊绾尾拍茏屵\(yùn)動(dòng)速度超級(jí)快的原子，冷卻到如此之低的溫度極限呢？

答案就是——激光！你沒有看錯(cuò)，更加準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該是“激光多普勒冷卻”的方案。

01光竟然可以偏轉(zhuǎn)原子的軌跡？——奇妙的光子散射相互作用

在我們的傳統(tǒng)印象中，光子（光的基本“粒子”）的運(yùn)動(dòng)速度極快，并且自身攜帶的能量也極其微弱。因此，光相比于質(zhì)量較大的原子，光子要與其相互作用并發(fā)生能量交換，相當(dāng)于“蚍蜉撼鉛球”，看起來(lái)會(huì)非常困難。

其實(shí)早在1933年，物理學(xué)家奧托·弗里希就首次利用鈉蒸氣燈發(fā)出的光線，成功使得一束鈉原子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。盡管原子束軌跡的偏轉(zhuǎn)程度只有約1毫米，卻有力地證明了光子能夠與原子發(fā)生能量的傳遞。然而，要想完成這個(gè)偏轉(zhuǎn)原子軌跡的實(shí)驗(yàn)并非易事，這就需要發(fā)出的光子與原子發(fā)生足夠強(qiáng)的散射相互作用才可以。

原子與光子相互作用的示意圖（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

簡(jiǎn)單而言，每種原子的內(nèi)部都有不均勻的特定“能量階梯”——能級(jí)結(jié)構(gòu)，并且不同能級(jí)之間也具有特定的能量差。當(dāng)這個(gè)原子遇到頻率剛好為的光子時(shí)，便會(huì)毫不客氣地“吃掉”這個(gè)光子，從而完成自身能級(jí)的躍遷。作為“貪吃”的代價(jià)，這個(gè)原子便會(huì)由于吸收光子過(guò)程中發(fā)生的碰撞，而改變自身原有的運(yùn)動(dòng)速度。更有趣的是，這個(gè)“貪吃”的原子很容易出現(xiàn)“消化不良”的癥狀，并且向四周隨機(jī)地“吐出”一個(gè)頻率同樣為的新光子，從而再次恢復(fù)到最初的能級(jí)狀態(tài)。其實(shí)，在原子物理學(xué)的研究中，原子內(nèi)部發(fā)生的上述過(guò)程有一個(gè)更加專業(yè)的名字——自發(fā)輻射。

原子發(fā)生“自發(fā)輻射”的示意圖

（圖片來(lái)源：作者自繪）

而當(dāng)這個(gè)原子接連遇到相同入射方向的多個(gè)頻率為的光子時(shí)，便會(huì)不斷地重復(fù)這種“自發(fā)輻射”的循環(huán)過(guò)程。隨著時(shí)間的積累，這個(gè)原子每次向不同方向隨機(jī)“吐出”新光子所受到的反作用力，幾乎會(huì)被平均抵消掉。這就意味著這個(gè)原子在完成多次循環(huán)后，整體上只感受到多次“吃掉”那一堆相同方向光子過(guò)程中所累加的碰撞作用力。這種持續(xù)的相互作用力，足以使得原子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在上世紀(jì)的早期，由于當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家還無(wú)法得到能量密度更高的激光光束，因此只能完成原子軌跡的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入到20世紀(jì)70年代，伴隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，物理學(xué)家們也開始嘗試?yán)眉す夤馐鴣?lái)與原子進(jìn)行相互作用，希望對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的原子實(shí)現(xiàn)減速作用。

02讓原子陷入光子的沼澤——光學(xué)黏團(tuán)

然而，要想讓初速度很快的原子順利地“吃掉”迎頭飛來(lái)的光子，并不是一件容易的事情。這是因?yàn)樵诖藭r(shí)的原子看來(lái)，這個(gè)迎面飛來(lái)的光子會(huì)由于“多普勒效應(yīng)”而具有更高的頻率，因此無(wú)法“吃掉”這個(gè)光子（與自身的能級(jí)差不符合），也就意味著無(wú)法順利完成“自發(fā)輻射”的循環(huán)過(guò)程。

原子感受到光子具有更高的頻率

（圖片來(lái)源：作者自繪）

其實(shí)，這里提及的“多普勒效應(yīng)”我們并不陌生。舉個(gè)例子，當(dāng)警車?guó)Q笛靠近時(shí)，我們會(huì)感覺警笛聲的音調(diào)越來(lái)越高，即我們耳朵接受到的聲波頻率逐漸變大；而當(dāng)警車?guó)Q笛遠(yuǎn)離時(shí)，警笛聲也會(huì)相應(yīng)變得越來(lái)越低沉，即我們聽到的聲波頻率逐漸變小。這種觀察者所感受到的輻射頻率隨著波源和觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的變化，最早是由奧地利物理學(xué)家克里斯琴·多普勒在1842年提出的，因此被稱為“多普勒效應(yīng)”。

“多普勒效應(yīng)”示意圖（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

因此，如果這個(gè)初速度很快的原子要想“吃掉”頻率恰好為的光子，那么考慮到上述存在的“多普勒效應(yīng)”，這個(gè)迎面飛來(lái)的光子本身頻率就需要略小于才可以順利完成“自發(fā)輻射”的循環(huán)過(guò)程。這樣一來(lái)，得益于“原子-光子”之間持續(xù)不斷的散射相互作用，這個(gè)原本速度很快的原子便會(huì)由于光子的阻擊而降低自身的速度。

受到這種多普勒冷卻方案的啟發(fā)，在1982年來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）的威廉·菲利普斯小組，在實(shí)驗(yàn)上將原本沿著某一方向進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)的鈉原子，從原本平均熱運(yùn)動(dòng)速度為每小時(shí)3600千米，首次成功降低至大約每小時(shí)144千米 （根據(jù)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)中的速度分布關(guān)系可知，鈉原子冷卻至大約70 mK，即0.07 K）。

對(duì)某一定向原子的減速只需考慮單個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)整個(gè)原子團(tuán)的冷卻則需要在三維空間中的前、后、上、下、左、右六個(gè)方向同時(shí)對(duì)其進(jìn)行減速，這就要求三對(duì)反向傳播的激光光束同時(shí)作用。就在1985年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱棣文小組利用三對(duì)反向傳播的激光光束照射鈉原子的蒸氣團(tuán)，并且在三對(duì)激光的交匯處成功冷卻了一團(tuán)鈉原子，此時(shí)原子團(tuán)的溫度低至多普勒冷卻的極限溫度（約0.00024 K），而這種特殊的原子團(tuán)狀態(tài)也被稱為“光學(xué)黏團(tuán)（optical molasses）”。

雖然，這種“光學(xué)黏團(tuán)”的技術(shù)能夠高效地冷卻原子團(tuán)，然而理論上它只能對(duì)原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用（類似于讓原子陷入到光子的沼澤中），因此并非真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子團(tuán)的囚禁（原子團(tuán)的壽命只能穩(wěn)定在秒量級(jí)）。這就意味著，要想將原子團(tuán)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地囚禁在三維空間中，還需要空間中額外的指向激光交匯處的另一種相互作用才可以。

03磁光阱：光學(xué)黏團(tuán)和靜磁場(chǎng)的完美結(jié)合

在1987年，朱棣文小組與麻省理工學(xué)院的普里查德小組合作，在實(shí)驗(yàn)上采用了光學(xué)黏團(tuán)與空間中梯度分布的靜磁場(chǎng)相結(jié)合的方案，從而成功實(shí)現(xiàn)了原子團(tuán)的冷卻和囚禁，而這種結(jié)合了梯度靜磁場(chǎng)與光學(xué)黏團(tuán)的原子陷阱，也被稱為“磁光阱（MOT）”。

“磁光阱”的示意圖（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

具體而言，磁光阱中三對(duì)反向傳播的激光光束交匯處的磁場(chǎng)為零，并且原子團(tuán)在勢(shì)阱中心所受到的平均散射也為零。通過(guò)精確地調(diào)控三維空間中靜磁場(chǎng)的梯度分布，能夠使得勢(shì)阱邊緣處的原子由于受到磁場(chǎng)的反向牽制，就不會(huì)向外逃逸。

也就是說(shuō)，磁光阱一方面利用光學(xué)黏團(tuán)讓原子冷靜下來(lái)，另一方面又借助梯度磁場(chǎng)來(lái)將原子團(tuán)推向勢(shì)阱的中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于原子團(tuán)的“冷卻+囚禁”復(fù)合作用。

正是得益于磁光阱技術(shù)的發(fā)明，物理學(xué)家們才有機(jī)會(huì)對(duì)微觀粒子實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定囚禁，從而為微觀粒子的精確調(diào)控提供了可能性，并且推動(dòng)了量子信息技術(shù)的發(fā)展。也正是憑借著在激光冷卻和囚禁原子方面的突出貢獻(xiàn)，朱棣文和威廉·菲利普斯分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三分之二的獎(jiǎng)金。

結(jié)語(yǔ)

然而，經(jīng)過(guò)多普勒冷卻后的原子速度仍不為零，并且存在自身的溫度極限，也被稱為“多普勒溫度極限”。這是因?yàn)閷?duì)于原子而言，雖然在多次自發(fā)輻射中的反沖作用被平均掉了，但是原子總是在不斷吸收光子和自發(fā)輻射，從而使得原子處于隨機(jī)行走的狀態(tài)，而無(wú)法真正的完全靜止下來(lái)。

一般而言，原子在經(jīng)過(guò)多普勒冷卻后，其自身的溫度極限在幾百個(gè)μK（微開爾文，）的量級(jí)。要想進(jìn)一步降低原子的冷卻極限，就需要在完成多普勒冷卻之外，再次引入更加強(qiáng)大的“亞多普勒冷卻”。

那么，物理學(xué)家們又是如何大開腦洞，在實(shí)驗(yàn)上成功將原子的溫度進(jìn)一步降低至μK甚至是nK（納開爾文，）量級(jí)的呢？那就讓我們?cè)谙乱黄恼轮泄餐剿鳌皝喍嗥绽绽鋮s”的奧秘吧！

參考文獻(xiàn)

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作者：欒春陽(yáng) 清華大學(xué)物理系博士

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員

出品：科普中國(guó)

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