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(本文由浙江大學(xué)顏波編譯自Chad Orzel. Physics World，2023，(11)：30)

20世紀(jì)60年代后期，少數(shù)科研人員開(kāi)始利用光產(chǎn)生的力來(lái)推動(dòng)小物體。在接下來(lái)的十年里，該領(lǐng)域發(fā)展出了激光冷卻：一種利用多普勒頻移使物體減速的強(qiáng)大技術(shù)。隨著時(shí)間的推移，新的激光冷卻研究沿著離子和原子這兩條平行軌道探索。

在許多方面，離子具有早期優(yōu)勢(shì)。由于它們帶有電荷，可以感受到強(qiáng)大的電磁力，高溫時(shí)也能被束縛在電磁阱中，然后通過(guò)紫外激光進(jìn)行冷卻。到1981年，離子捕獲技術(shù)已經(jīng)精進(jìn)到可以捕獲并檢測(cè)單個(gè)離子，并可以進(jìn)行前所未有的高精確光譜分析。

相比之下，原子需要先減速，才能被光和磁場(chǎng)所施加的較弱的力所囚禁。盡管如此，到1985年，比爾·菲利普斯(Bill Phillips)及其同事在馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局，利用光將鈉原子束的速度減至幾乎停止，然后將它們囚禁在磁阱中。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)的主要挑戰(zhàn)似乎是進(jìn)行更有效的中性原子捕獲，并將冷卻過(guò)程推向理論極限。這兩方面的工作都獲得了超出預(yù)期的成功，這和貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)有密切關(guān)系。

圖1 照片拍攝于1980年代后期，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的菲利普斯小組在六束交叉的激光區(qū)域觀測(cè)到鈉原子云。菲利普斯因?yàn)閷?duì)激光冷卻研究的貢獻(xiàn)分享了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

貝爾實(shí)驗(yàn)室

我們最后一次見(jiàn)到阿什金是1970年，當(dāng)時(shí)他剛剛開(kāi)發(fā)出“光鑷”技術(shù)，將近50年后他因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到1970年代后期，他與貝爾實(shí)驗(yàn)室的同事一起開(kāi)展了原子束的實(shí)驗(yàn)工作。通過(guò)將激光與原子束重疊，阿什金等證實(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光頻率使原子束聚焦或者發(fā)散。阿什金想用這種效應(yīng)實(shí)現(xiàn)“全光學(xué)”捕獲原子(即不使用菲利普斯小組的磁場(chǎng)囚禁方案)。不幸的是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)使用的原子束儀器是采用有機(jī)玻璃窗建造的，無(wú)法維持足夠低的真空。這些從外部泄漏進(jìn)來(lái)的原子和分子與光束中的原子碰撞時(shí)，目標(biāo)原子被踢出勢(shì)阱。在經(jīng)歷了幾年的失望結(jié)果后，貝爾實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)此感到不滿，并迫使阿什金轉(zhuǎn)變了研究方向。

就在這一時(shí)期，一位(自稱)“善于攻克困難實(shí)驗(yàn)”的年輕研究員進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室。他的名字叫朱棣文(Steve Chu)，對(duì)阿什金的想法很感興趣。他們共同建造了適合原子冷卻和捕獲的超高真空系統(tǒng)，并增加了一個(gè)通過(guò)快速掃描激光頻率來(lái)減速鈉原子的裝置，以補(bǔ)償速度變化帶來(lái)的多普勒頻移。后來(lái)這一技術(shù)被稱為“啁啾冷卻”。

圖2 1980年代，美國(guó)的朱棣文(左)和法國(guó)的Claude Cohen-Gannoudji(右)從實(shí)驗(yàn)和理論角度解決了亞多普勒冷卻問(wèn)題

這時(shí)，朱棣文建議使用三對(duì)垂直的對(duì)射激光來(lái)照射原子以預(yù)冷卻原子，所有激光都調(diào)諧到略低于原子躍遷頻率的頻率。這種方案同時(shí)在三個(gè)維度上提供冷卻力，無(wú)論原子以哪種方式移動(dòng)，它們都會(huì)感受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反的力。由于與游泳者在粘性液體中的困境相似，朱棣文將其稱為“光學(xué)黏團(tuán)”。

貝爾實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)于1985年從啁啾冷卻的裝置中收集到數(shù)千個(gè)原子，演示了光學(xué)黏團(tuán)，將原子固定在光束重疊區(qū)域中大約十分之一秒(在原子物理學(xué)中可算是永恒)。在光學(xué)黏團(tuán)區(qū)域，原子不斷吸收和發(fā)射冷卻激光，因此它們看起來(lái)像一團(tuán)彌漫的發(fā)光云。發(fā)光的總量可以用來(lái)測(cè)量原子的數(shù)量。

阿什金、朱棣文和他們的合作者還估計(jì)了原子的溫度。他們通過(guò)短時(shí)間關(guān)斷，然后重新打開(kāi)激光，測(cè)量光學(xué)黏團(tuán)中剩余原子數(shù)比例來(lái)估算溫度。在光關(guān)斷期間，原子云會(huì)膨脹，一些原子會(huì)因?yàn)榕蛎浂与x光學(xué)黏團(tuán)區(qū)域。利用這個(gè)逃逸率，能夠計(jì)算原子的溫度：大約240微開(kāi)爾文——正好符合激光冷卻鈉原子的理論預(yù)期最小值。

盡管具有很強(qiáng)的黏性，光學(xué)黏團(tuán)并不是勢(shì)阱。雖然它減慢了原子的速度，但一旦原子漂移到激光束的邊緣，他們還是可以逃脫。相比之下，勢(shì)阱提供位置依賴的力，將原子推回中心區(qū)域。

構(gòu)建勢(shì)阱最簡(jiǎn)單的方法是使用強(qiáng)聚焦的激光束，類似于阿什金開(kāi)發(fā)的用于捕獲微觀物體的光鑷。雖然激光焦點(diǎn)區(qū)域的體積只占光學(xué)黏團(tuán)的一小部分，但是仍有大量原子可以通過(guò)黏團(tuán)中原子的隨機(jī)擴(kuò)散在這樣的勢(shì)阱中聚集。當(dāng)他們向黏團(tuán)中添加一束單獨(dú)的捕獲激光時(shí)，結(jié)果令人鼓舞：彌散的光學(xué)黏團(tuán)云中出現(xiàn)了一個(gè)小亮點(diǎn)，代表數(shù)百個(gè)原子被捕獲。然而進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。激光導(dǎo)致的原子能級(jí)的移動(dòng)一方面使得光阱捕獲成為可能，另一方面卻阻礙冷卻過(guò)程：當(dāng)捕獲激光將原子基態(tài)的能量向下移動(dòng)時(shí)，它改變了冷卻激光的等效失諧。使用另一束激光或者交替使用冷卻和捕獲激光可以增加捕獲的原子數(shù)，但代價(jià)是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。為了取得進(jìn)一步的進(jìn)展，物理學(xué)家需要更冷的原子或更好的勢(shì)阱。

法蘭西的建議

巴黎高等師范學(xué)院的科恩-塔諾季(Claude Cohen-Tannoudji)和他的團(tuán)隊(duì)主要從理論方面研究激光冷卻問(wèn)題。當(dāng)時(shí)Jean Dalibard是該小組的新進(jìn)博士，他記得他們?cè)芯窟^(guò)阿什金和Jim Gordon的理論分析(“一篇精彩的論文”)以及蘇聯(lián)二人組(Vladilen Letokhov和Vladimir Minogin，還有Boris D Pavlik)于1977年得出的激光冷卻可達(dá)到的冷卻極限溫度。

這個(gè)極限溫度稱為多普勒冷卻極限，它源于原子吸收冷卻光后重新發(fā)射光子時(shí)發(fā)生的隨機(jī)“踢動(dòng)”。Dalibard很好奇這個(gè)“限制”到底有多嚴(yán)格，并尋找盡可能讓原子“處于黑暗”的方法。為此，他使用了標(biāo)準(zhǔn)多普勒冷卻理論未考慮的原子性質(zhì)：真實(shí)原子態(tài)不是單一能態(tài)，而是很多具有相同能量但不同角動(dòng)量的子能級(jí)集合。這些不同的子能級(jí)或動(dòng)量狀態(tài)會(huì)在磁場(chǎng)存在時(shí)改變能量(塞曼效應(yīng))。另一個(gè)復(fù)雜的因素是激光的偏振決定了哪些子能級(jí)將吸收光子,其中一種偏振增加原子角動(dòng)量，而另一種則減少。

在該理論中，Dalibard將這些子能級(jí)與磁場(chǎng)結(jié)合起來(lái)，激光等效失諧依賴于原子的位置。因此，原子只能在失諧、多普勒頻移和塞曼頻移組合恰到好處的特定位置吸收特定的激光。Dalibard希望通過(guò)這種方式限制原子吸收光的能力，認(rèn)為這可能會(huì)降低它們的極限溫度。在他計(jì)算出否定的結(jié)果后，他就放棄了這個(gè)想法。“我看到這是一個(gè)勢(shì)阱，但我不是在尋找勢(shì)阱，而是在尋找亞多普勒冷卻，”他解釋道。

如果不是麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Dave Pritchard在1986年訪問(wèn)了巴黎小組，事情可能就到此為止了。在訪問(wèn)期間，他發(fā)表了關(guān)于生產(chǎn)更大體積勢(shì)阱想法的演講，最后他說(shuō)歡迎其他更好的建議。

“我去找Dave，我說(shuō)‘好吧，我有一個(gè)想法，但不太確定它是否更好，但它確實(shí)與你的不同，’”Dalibard回憶道。Pritchard將Dalibard的想法帶回美國(guó)，并于1987年和朱棣文建造了第一個(gè)磁光阱(MOT)。Dalibard被邀請(qǐng)擔(dān)任最終論文的共同作者，但他只是高興地接受了在致謝中的認(rèn)可。

MOT對(duì)于激光冷卻的發(fā)展具有極其重要的意義。它是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的裝置，只需要單一激光頻率和相對(duì)較弱的磁場(chǎng)即可產(chǎn)生強(qiáng)囚禁。更重要的是它的容量，朱棣文和阿什金的第一個(gè)全光勢(shì)阱容納了數(shù)百個(gè)原子，菲利普斯的第一個(gè)磁勢(shì)阱容納了數(shù)千個(gè)原子，但第一個(gè)磁光阱容納了千萬(wàn)量級(jí)的原子。隨著科羅拉多大學(xué)威曼(Carl Wieman)推出廉價(jià)的二極管激光器，MOT的出現(xiàn)引發(fā)了全球研究激光冷卻的團(tuán)體數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，研究的步伐大大加快。

蓋瑟斯堡的意外發(fā)現(xiàn)

當(dāng)Pritchard和朱棣文建造第一個(gè)MOT時(shí)，馬里蘭州蓋瑟斯堡的菲利普斯和他的同事在光學(xué)黏團(tuán)研究中遇到了一個(gè)極不尋常的問(wèn)題。由于光學(xué)黏團(tuán)的效果太好了，菲利普斯小組決定開(kāi)展更系統(tǒng)的研究，包括原子團(tuán)溫度的測(cè)量。貝爾實(shí)驗(yàn)室小組開(kāi)發(fā)的“釋放—重新捕獲”方法具有相對(duì)較大的不確定性，因此菲利普斯小組嘗試了一種新方法。他們?cè)诠鈱W(xué)黏團(tuán)附近放置探測(cè)光，當(dāng)光學(xué)黏團(tuán)關(guān)閉時(shí)，原子就會(huì)飛走。它們到達(dá)探測(cè)區(qū)域所需的時(shí)間可以反映它們的速度，從而測(cè)量它們的溫度。

由于空間限制，最初探測(cè)光被放置在黏團(tuán)區(qū)域稍上方。對(duì)于以多普勒極限速度運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，應(yīng)該可以看到信號(hào)。但是當(dāng)他們嘗試這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有原子到達(dá)探測(cè)器。最終，他們將探測(cè)器位置轉(zhuǎn)移到黏團(tuán)下方，這時(shí)他們看到了一個(gè)漂亮的信號(hào)。溫度比預(yù)想的低很多。這引出了一個(gè)問(wèn)題：多普勒冷卻極限為240微開(kāi)爾文，但這種“飛行時(shí)間”法測(cè)量顯示的溫度為40微開(kāi)爾文。

這個(gè)結(jié)果似乎違反了墨菲定律，“凡是有可能出錯(cuò)的事情就一定會(huì)出錯(cuò)”，所以他們并不愿意立即接受。他們使用幾種不同的技術(shù)重新測(cè)量溫度，包括改進(jìn)的“釋放—重新捕獲”技術(shù)，但他們不斷得到相同的結(jié)果：原子比理論推測(cè)的可能溫度低得多。

1988年初，菲利普斯聯(lián)系了激光冷卻研究的其他團(tuán)體，請(qǐng)求他們檢查自己實(shí)驗(yàn)得到的溫度。朱棣文和Wieman很快證實(shí)了這個(gè)令人驚訝的結(jié)果：光學(xué)黏團(tuán)不僅可以冷卻原子，而且比理論預(yù)言的效果更好。

越過(guò)山丘

巴黎小組沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但Dalibard和Cohen-Tannoudji通過(guò)追蹤Dalibard早期發(fā)展MOT理論時(shí)使用的特征，即多個(gè)原子內(nèi)態(tài)，從理論上解決了這個(gè)問(wèn)題。鈉的基態(tài)有5個(gè)具有相同能量的子能級(jí)，原子在這些狀態(tài)之間的分布取決于光的強(qiáng)度和偏振。6個(gè)反向傳播光束的組合產(chǎn)生了復(fù)雜的偏振分布，因?yàn)楣馐诠鈱W(xué)黏團(tuán)內(nèi)的不同位置以不同的方式組合。原子不斷地被光學(xué)泵浦成不同的分布，延長(zhǎng)冷卻過(guò)程并允許更低的溫度。

到1988年夏天，Dalibard和Cohen-Tannoudji設(shè)計(jì)了一個(gè)優(yōu)美的模型來(lái)解釋亞多普勒冷卻。(朱棣文獨(dú)立地得出了類似的結(jié)果，他回憶是在歐洲兩次會(huì)議之間的火車上得出的。)他們考慮了一個(gè)只有兩個(gè)基態(tài)子能級(jí)的簡(jiǎn)化原子，傳統(tǒng)上標(biāo)記為-1/2和+1/2，由傳播的兩束相互垂直的線偏振光照射，從而在空間形成周期性的光頻移。當(dāng)-1/2態(tài)原子向高能量區(qū)域移動(dòng)時(shí)，原子被減慢，就像球滾上山一樣。而到達(dá)“山頂”時(shí)，光泵浦將原子變到+1/2態(tài)，又處于勢(shì)能的底部，原子繼續(xù)爬上“山丘”失去能量，速度變慢，如此循環(huán)。

這種通過(guò)不斷爬“山”而失去能量的過(guò)程有一個(gè)生動(dòng)的名字：Dalibard和Cohen-Tannoudji將其稱為“西西弗斯冷卻”，源自希臘神話中的國(guó)王，他被判永遠(yuǎn)將一塊巨石推上山，結(jié)果卻發(fā)生了巖石滑落，離開(kāi)并返回底部。光學(xué)黏團(tuán)中的原子處于類似的困境，總是爬山并失去能量，只是需要將它們光學(xué)泵浦到底部并迫使它們重新開(kāi)始。

西西弗斯冷卻理論對(duì)最低溫度以及它們?nèi)绾我蕾嚰す馐еC和磁場(chǎng)做出了具體預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)很快得到了世界各地實(shí)驗(yàn)室的證實(shí)。1989年秋，Journal of the Optical Society of America B 發(fā)表了關(guān)于激光冷卻的特刊，其中包含菲利普斯小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、巴黎的西西弗斯理論以及朱棣文小組的實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的論文。在接下來(lái)十年時(shí)間里，這期特刊被學(xué)生視為激光冷卻的權(quán)威解釋，Cohen-Tannoudji、朱棣文和菲利普斯分享了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在極限情況下，西西弗斯效應(yīng)可以將原子冷卻到這樣一個(gè)程度，原子不再有足夠的能量來(lái)爬上一座“山”，而是被限制在單一極化的一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)。這種限制與捕獲離子一樣嚴(yán)格，也使得激光冷卻的兩個(gè)分支彼此對(duì)應(yīng)。到20世紀(jì)90年代初，被捕獲的離子和中性原子都可以被冷卻到其量子性質(zhì)變得顯著的狀態(tài)：勢(shì)阱中的單個(gè)離子，或西西弗斯冷卻創(chuàng)建的“阱”中的原子，只能存在某些離散的能量狀態(tài)。這些離散狀態(tài)很快就在這兩個(gè)系統(tǒng)都測(cè)量到了。如今，它們已成為基于原子和離子的量子計(jì)算的重要組成部分。

另一個(gè)有趣的研究方向涉及勢(shì)阱本身。這些勢(shì)阱是在光束干涉時(shí)形成的，并且自然地以激光的半波長(zhǎng)為間距周期性出現(xiàn)在大型陣列中。這些所謂的“光晶格”的周期性性質(zhì)模擬了固體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，其中原子在晶格中扮演著電子的角色。這種相似性使得被捕獲的超冷原子成為探索超導(dǎo)等凝聚態(tài)物理現(xiàn)象的有用平臺(tái)。

然而，要真正探索冷原子的超導(dǎo)性，晶格中必須裝載比西西弗斯冷卻所能達(dá)到的更高密度和更低溫度的原子。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將需要另一套新的工具和技術(shù)，這不僅將創(chuàng)造已知系統(tǒng)的類似物，而且將創(chuàng)造全新物態(tài)，從而揭開(kāi)新的篇章。

（來(lái)源：選自《物理》2023年第12期）