1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)激光冷卻和陷俘原子

1、 1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一一激光冷卻和陷俘原子朱棣文科恩-塔諾季菲利普斯1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國加州斯坦福大學(xué)的朱棣文(StephenChu,1948-),法國巴黎的法蘭西學(xué)院和高等師范學(xué)院的科恩一塔諾季(ClaudeCohen一 Tannoudji,1933)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的菲利普斯(WilliamD.Phillips,1948),以表彰他們在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻(xiàn)。激光冷卻和陷俘原子的研究，是當(dāng)代物理學(xué)的熱門課題，十幾年來成果不斷涌現(xiàn)，前景激動(dòng)人心，形成了分子和原子物理學(xué)的一個(gè)重要突破口。操縱和控制單個(gè)原子一直是物理學(xué)家追求的目標(biāo)。固體和液體中的原

2、子處于密集狀態(tài)之中，分子和原子相互間靠得很近，聯(lián)系難以隔絕，氣體分子或原子則不斷地在作無規(guī)亂運(yùn)動(dòng)，即使在室溫下空氣中的原子分子的速率也達(dá)到幾百 m/s。在這種快速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，即使有儀器能直接進(jìn)行觀察，它們也會(huì)很快地就從視場中消失，因此難以對它們進(jìn)行研究。降低其溫度，可以使它們的速率減?。坏菃栴}在于：氣體一經(jīng)冷卻，它就會(huì)先凝聚為液體，再凍結(jié)成固體。如果是在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠地低，避免凝聚和凍結(jié)。但即使低到-270C,還會(huì)有速率達(dá)到幾十 m/s 的分子原子，因?yàn)榉肿釉拥乃俾适前匆欢ǖ囊?guī)律分布的。接近絕對零度(273c 以下)時(shí)，速率才會(huì)大為降低。 當(dāng)溫度低到 10-6K,即 1

3、 微開(仙 K)時(shí)， 自由氫原子預(yù)計(jì)將以低于 25cm/s 的速率運(yùn)動(dòng)?？墒窃鯓硬拍苓_(dá)到這樣低的溫度呢？朱棣文、科恩-塔諾季、菲利普斯以及其他許多物理學(xué)家開發(fā)了用激光把氣體冷卻到微開溫度范圍的各種方法，并且把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類型的“原子陷阱”中。在這里面，個(gè)別原子可以以極高的精確度得到研究，從而確定它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)在同一體積中陷俘越來越多的原子時(shí)，就組成了稀薄氣體，可以詳細(xì)研究其特性。這幾位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者所創(chuàng)造的這些新研究方法，為擴(kuò)大我們對輻射和物質(zhì)之間相互作用的知識作出了重要貢獻(xiàn)。特別是，他們打開了通向更深地了解氣體在低溫下的量子物理行為的道路。 這些方法有可能用于設(shè)計(jì)新型的原

4、子鐘， 其精確度比現(xiàn)在最精確的原子鐘(精確度達(dá)到了百萬億分之一)還要高百倍， 以應(yīng)用于太空航行和精確定位。 人們還開始了原子干涉儀和原子激光的研究。 原子干涉儀可以用于極其精確地測量引力， 而原子激光將來可能用于生產(chǎn)非常小的電子器件。 用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦， 導(dǎo)致了“光學(xué)銀子”的發(fā)展， 光子銀子可用于操縱活細(xì)胞和其它微小物體。1988 年1995 年在稀薄原子氣體中先后觀察到了一維、二維甚至三維的玻色-愛因斯坦凝聚-o 這一切都是從人們能夠用激光控制原子開始的。 下面我們就來對歷史作一點(diǎn)簡單的回顧并且對激光為什么能使原子冷卻作一點(diǎn)通俗的解釋。1 .歷史的回顧早在 1619 年，當(dāng)開普

5、勒試圖解釋為什么彗星進(jìn)入太陽系彗尾總是背著太陽時(shí)，他曾經(jīng)提出， 光可能有機(jī)械效應(yīng)。 麥克斯韋在 1873 年、 愛因斯坦在 1917 年都對所謂的“光壓”理論作過重要貢獻(xiàn)，特別是，愛因斯坦證明了，原子吸收和發(fā)射光子后，其動(dòng)量會(huì)發(fā)生改變。有光子動(dòng)量參與的過程首推康普頓效應(yīng)，即X 射線受電子的散射。最早觀察到反沖電子的是 1923 年 C.T.R.威耳遜用云室作出的。第一次在實(shí)驗(yàn)中觀察到反沖原子的是弗利胥(1933 年)。1966 年索洛金(P.Sorokin)等人發(fā)明的可調(diào)染料激光器，為進(jìn)一步探討“光的機(jī)械特性”提供了優(yōu)越的手段。20 世紀(jì) 70 年代列托霍夫(V.S.Letokhov)以及其他

6、蘇聯(lián)物理學(xué)家和美國荷爾德爾(Holmdel)貝爾實(shí)驗(yàn)室阿斯金(A.Ashkin)。小組的物理學(xué)家在理論上和實(shí)驗(yàn)上對光子與中性原子的相互作用進(jìn)行了重要的早期工作。其中有一項(xiàng)是他們建議用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦，從而達(dá)到陷俘原子的目的。他們的工作導(dǎo)致了“光學(xué)銀子”的發(fā)展，光學(xué)銀子可用于操縱活細(xì)胞和其它微小物體。漢胥(T.W.Hansch)和肖洛(A.L.Schawlow)1975 年首先建議用相向傳播的激光束使中性原子冷卻。與此同時(shí)，外蘭德(D.J.Wineland)和德默爾特(H.G.Dehmelt)對于離子陷阱中的離子也提出過類似的建議。漢斯和肖洛的方法是：把激光束調(diào)諧到略低于原子的諧振躍

7、遷頻率，利用多普勒原理就可使中性原子冷卻。2 .激光為什么能使原子減速？光可以看成是一束粒子流，這種粒子就叫光子。光子一般來說是沒有質(zhì)量的但是具有一定的動(dòng)量。光子撞到原子上可以把它的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給那個(gè)原子。這種情況要發(fā)生，必須是光子有恰好的能量，或者可以這樣說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因?yàn)楣庾拥哪芰空扔诠獾念l率， 而光的頻率又決定光的顏色。 因此組成紅光的光子比起組成藍(lán)光的光子能量要低些。 是什么決定光子應(yīng)有多大能量才能對原子起作用呢？是原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（能級）。原子處于一定的能級狀態(tài)，能級的躍遷就是原子吸收和發(fā)射光子的過程。原子的能級是一定的，它吸收和發(fā)射光子的頻率也是一定的。如果正在行進(jìn)

8、中的原子被迎面而來的激光照射， 只要激光的頻率和原子的固有頻率一致， 就會(huì)引起原子的躍遷，原子會(huì)吸收迎面而來的光子而減小動(dòng)量。與此同時(shí)，原子又會(huì)因躍遷而發(fā)射同樣的光子，不過它發(fā)射的光子是朝著四面八方的，因此，實(shí)際效果是原子的動(dòng)量每碰撞一次就減小一點(diǎn)，直至最低值。動(dòng)量和速度成正比，動(dòng)量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，實(shí)際上就是在激光的作用下使原子減速。然而，實(shí)際上原子束是以一定的速度前進(jìn)的。迎面而來的激光在原子”看來”，頻率好象有所增大。 這就好比在高速行進(jìn)的火車上聽迎面開來的汽車的喇叭聲一樣， 你會(huì)覺得汽車是尖嘯而過，和平常大不相同。這就是所謂多普勒效應(yīng)。也就是說，對于火車上的觀察者來說，

9、 汽車?yán)嚷暤念l率是增大了。 運(yùn)動(dòng)中的原子和迎面而來的激光也會(huì)有同樣的效應(yīng)。因此，只有適當(dāng)調(diào)低激光的頻率，使之正好適合運(yùn)動(dòng)中的原子的固有頻率，就會(huì)使原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達(dá)到使原子減速的目的。因此這種冷卻的方法稱為多普勒冷卻。理論預(yù)計(jì)，對于鈉原子，多普勒冷卻的極限值為 240NK。用激光可以把各種原子冷卻，使之降到毫開量級的極低溫度，這就是 20 世紀(jì) 70 到 80 年代之間物理學(xué)家做的事情。1985 年朱棣文和他的同事在美國新澤西州荷爾德爾 （Holmdel） 的貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步用兩兩相對， 沿三個(gè)正交方向的六束激光使原子減速。 他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻

10、止了下來， 然后把鈉原子引進(jìn)六束激光的交匯處。 這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍微有些紅移。其效果就是不管鈉原子企圖向何方運(yùn)動(dòng)， 都會(huì)遇上具有恰當(dāng)能量的光子， 并被推回到六束激光交匯的區(qū)域。在這個(gè)小區(qū)域里，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)。 由六束激光組成的阻尼機(jī)制就像某種粘稠的液體， 原子陷入其中會(huì)不斷降低速度。大家給這種機(jī)制起了一個(gè)綽號，叫“光學(xué)粘膠”。上述實(shí)驗(yàn)中原子只是被冷卻，并沒有被陷俘。重力會(huì)使它們在 1 秒鐘內(nèi)從光學(xué)粘膠中落下來。為了真正陷俘原子，就需要有一個(gè)陷阱。1987 年做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。它用六束激光，如上述排列，

11、再加上兩個(gè)磁性線圈，以便給出略微可變化的磁場， 具最小值處于激光束相交的區(qū)域。 由于磁場會(huì)對原子的特征能級起作用（這種作用叫做塞曼效應(yīng)），就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。 這時(shí)原子雖然沒有真正被捉住， 但卻是被激光和磁場約束在一個(gè)很小的范圍里，從而可以在實(shí)驗(yàn)中加以研究或利用。朱棣文和他的小組在激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)中取得了突破性的進(jìn)展，引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。 繼他們之后有很多科學(xué)小組很快超過了他們， 但是他們開創(chuàng)的激光減速方法和光學(xué)粘膠的工作一直是其它成果的基礎(chǔ)。 他們自己也沒有止步， 繼續(xù)作出了新的努力。例如，原子噴泉（圖 971）就是一項(xiàng)有重大意義的實(shí)驗(yàn)。朱棣文小

12、組根據(jù)扎查利亞斯（J.R.Zacharias）和漢斯的建議，把幾種新的方法結(jié)合在一起，創(chuàng)造了一種可以用極高的精確度測量原子的光譜特性的裝置。他們把高度冷卻并被陷俘了的原子非常平緩地向上噴出， 在重力場中作拋射體運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)?shù)竭_(dá)頂點(diǎn)時(shí)原子正好處在微波腔內(nèi)，然后在重力場的作用下開始下落。這時(shí)，用相隔一定時(shí)間的兩束微波輻射脈沖對這些原子進(jìn)行探測。 如果微波脈沖的頻率經(jīng)過正確的調(diào)諧， 這兩個(gè)相繼的微波脈沖將使原子從一種量子態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種量子態(tài)。用這種方法朱棣文小組曾經(jīng)測量過原子兩個(gè)量子態(tài)之間的能量差， 第一次實(shí)驗(yàn)的分辨率就高達(dá)一千億分之二。把注入的經(jīng)邊冷卻的原子陷阱中，將舉些原子向上噴出，在拋射曲線的頂

13、點(diǎn)微借助原子噴泉可以對原子的能級進(jìn)行極為精確的測量，因此有可能在這一基礎(chǔ)上建立最精確的原子鐘。目前不止有 10 個(gè)科學(xué)集體正在試制這種原子鐘。與此同時(shí)，菲利普斯和他在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的小組研究了在光學(xué)粘膠中緩慢運(yùn)動(dòng)的中性鈉原子冷云團(tuán)。他們被理論與實(shí)驗(yàn)之間微小的不符所激勵(lì)，創(chuàng)造了精確測量處于不同冷卻條件的云團(tuán)溫度的各種方法。 他們采用一種技術(shù)測量原子從光學(xué)粘膠區(qū)域下落到探測激光束處的飛行時(shí)間。1988 年初，他們發(fā)現(xiàn)，原子的溫度約為 40pK,比預(yù)計(jì)的多普勒極限 240 仙 K 低得多。他們還發(fā)現(xiàn)，最低的溫度是在與理論多普勒極限的條件相矛盾的條件下得到的。朱棣文后來轉(zhuǎn)到斯坦福大學(xué)，他所帶的幾個(gè)

14、研究小組以及科恩-塔諾季在巴黎高等師范學(xué)院的小組所做的實(shí)驗(yàn)， 不久就證實(shí)了菲利普斯的發(fā)現(xiàn)是真實(shí)的。 斯坦福小組和巴黎的小組幾乎同時(shí)而且立刻對這一理論和實(shí)驗(yàn)之間的分歧作出了解釋。 原來多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設(shè)原子具有簡單的二能級譜?？墒菍?shí)際上真正的鈉原子都具有好幾個(gè)塞曼子能級， 不但在基態(tài)， 而且在激發(fā)態(tài)也是如此?；鶓B(tài)子能級可以用光泵方法激發(fā)， 也就是說， 激光能夠把鈉原子轉(zhuǎn)變?yōu)榘醋幽芗壊季拥牟煌植迹⒁鹦碌睦鋮s機(jī)制。這種布居分布的細(xì)節(jié)依賴于激光的偏振態(tài)，而在光學(xué)波脈沖將原子從一個(gè)能態(tài)激發(fā)到另一個(gè)能蒸，由此可以極其精確地測量原子能態(tài)。光學(xué)粘膠使原子冷卻線圈產(chǎn)生跑場激光使原子運(yùn)動(dòng)速度

15、降低光束注入原子圖 9T-1 原子噴泉示意圖.兩兩相向相互正交的六束謝北組成光學(xué)粘膠 再加防個(gè)蜴圈產(chǎn)生盛場J弦成磁兆陷阱，粘膠中，在光學(xué)波長量級的距離里偏振態(tài)會(huì)發(fā)生快速的變化。因此，人們?yōu)檫@種新的冷卻機(jī)制取了一個(gè)名稱， 叫“偏振梯度冷卻”。 菲利普斯最早發(fā)現(xiàn)的特殊機(jī)制則取了另外一個(gè)名稱，叫“希蘇伐斯冷卻”，希蘇伐斯是希臘神話中的一個(gè)角色，傳說他被判處把重石頭推上山坡，而當(dāng)重石被推到坡頂時(shí)，又會(huì)滾下山，于是他只能從頭開始。原子總在失去動(dòng)能，就好象是上山一樣，經(jīng)激光場又被光激發(fā)回到山谷，如此周而復(fù)始，反復(fù)進(jìn)行，不斷冷卻降溫。人們把低于多普勒極限的過程稱為亞多普勒冷卻。1989 年菲利普斯訪問巴黎，

16、他與高等師范學(xué)院的小組合作，共同證明了中性葩原子可以冷卻到 2.5KK。他們發(fā)現(xiàn)，和多普勒冷卻一樣，其它類型的激光冷卻也有相應(yīng)的極限。 以從單個(gè)光子反沖而得的速度運(yùn)動(dòng)的一團(tuán)原子所相當(dāng)?shù)臏囟染徒蟹礇_極限。 對于鈉原子，反沖極限溫度為 2.4 而葩原子則低至 0.2Ko上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎就表示了，用偏振梯度冷卻有可能使一群無規(guī)的原子云達(dá)到十倍于反沖極限的溫度。在新近的發(fā)展中， 人們做到了把冷卻了的原子拘捕在所謂光格架的地方。 這種格架是以光的波長量級作為間隔， 靠改變激光束的位形加以調(diào)整。 由于原子處在格架位置上要比處在任意位置能夠更有效地冷卻，從而可以達(dá)到無規(guī)狀態(tài)下所能達(dá)到的溫度的一半。例如，對于

17、葩已經(jīng)達(dá)到了 1.1Ko單個(gè)光子的反沖能量之所以會(huì)有一個(gè)極限值，是因?yàn)椴徽搶Χ嗥绽绽鋮s還是偏振梯度冷卻， 兩者都會(huì)發(fā)生連續(xù)的吸收和發(fā)射的循環(huán)過程。 每個(gè)過程都會(huì)給原子以微小但卻不能忽略不計(jì)的反沖能量。如果原子幾乎是靜止的，免去了吸收-發(fā)射循環(huán)，原則上就可以在稀薄原子蒸氣中達(dá)到比反沖冷卻極限還要低的溫度， 這就叫亞反沖冷卻。 早在20 世紀(jì) 70 年代，比薩大學(xué)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以用光泵方法使放在強(qiáng)激光場中的原子激發(fā)到無吸收的相干疊加狀態(tài)， 即所謂的“暗態(tài)”。 科恩塔諾季和巴黎高等師范學(xué)院的一些同事，其中有阿里孟多（E.Arimondo,來自比薩）和阿斯派克特（A.Aspect）,他們在一系列的實(shí)驗(yàn)

18、中證明了利用多普勒效應(yīng)可以使最冷的原子最終達(dá)到暗態(tài)。 這個(gè)方法就叫速度選擇相干布居陷阱法（VSCPT01988 年， 科恩-塔諾季及其同事用這種方法使氮原子冷卻。 他們用兩組相向傳播的激光束，證明了一維冷卻可達(dá) 2k 的溫度，比理論預(yù)計(jì)的反沖極限還小一倍。20 世紀(jì)90 年代初這一實(shí)驗(yàn)發(fā)展到二維冷卻。1994 年科恩塔諾季和阿斯派克特及另一個(gè)小組用兩對相互正交的并相向傳播的激光束，證明了二維冷卻可達(dá) 250nK,約比反沖極限溫度低 16 倍。最終在 1995 年實(shí)驗(yàn)發(fā)展到用三對激光束，演示了沿三個(gè)方向的冷卻。最低的溫度達(dá)到 180nK,比反沖極限還要低 22 倍。理論預(yù)計(jì)，氮原子的多普勒極限為 23 小人反沖極限為 4Ko朱棣文是華裔科學(xué)家，1948 年生于美國密蘇里州的圣路易斯，美國公民。他父親朱汝瑾博士是臺灣中央研究院院士。朱棣文于 1976 年畢業(yè)于美國伯克利加州大學(xué)，獲物理學(xué)博士學(xué)位，并留校做了兩年博士后研究，后來他加入貝爾實(shí)驗(yàn)室，1983 年任貝爾實(shí)驗(yàn)室量子電子學(xué)研究部主任，1987 年應(yīng)聘任斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授，1990 年任斯坦福大學(xué)物理系主任。 他因開發(fā)了激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)獲 1993 年費(fèi)薩爾國