冷原子物理及其應(yīng)用

1、冷原子物理及其應(yīng)用摘要二十多年前，人們通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)方法獲得了冷原子，今天超冷原子成為了多學(xué)科交叉的樞紐，超低溫物理、超低密度凝聚態(tài)物理、超低能碰撞物理、非線性與量子原子光學(xué)、量子信息處理、精密譜與量子頻率標(biāo)準(zhǔn)等研究匯聚于此。本文章介紹了冷原子物理的相關(guān)研究及其意義。關(guān)鍵詞冷原子物理，激光冷卻，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚十多年來(lái)，一個(gè)新的研究領(lǐng)域一一超冷原子物理學(xué)蓬勃發(fā)展起來(lái)。處于“超冷”狀態(tài)的原子體系將遵從新的物理規(guī)律，其中特別有意義的是原子氣體會(huì)出現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象（BEQO2001年的諾貝爾物理獎(jiǎng)就授予了在BEC實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和性質(zhì)研究方面做出重要貢獻(xiàn)的英國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼和德國(guó)科學(xué)家克特勒。玻

2、色-愛(ài)因斯坦凝聚是科學(xué)巨匠愛(ài)因斯坦在70年前預(yù)言的一種新物態(tài)。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)）。這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測(cè)量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景。本文介紹BEQ勺概念、形成條件和實(shí)現(xiàn)途徑以及激光冷卻中性原子的原理，并說(shuō)明冷原子的一些相關(guān)應(yīng)用。一、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚及其實(shí)驗(yàn)研究簡(jiǎn)史1924年印度物理學(xué)家玻色研究了“光子在各能級(jí)上的分布”問(wèn)題，他以不同于普朗克的方式推導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式。玻色將這一結(jié)果寄給愛(ài)因斯坦，請(qǐng)其翻譯成德文并在德國(guó)發(fā)表。愛(ài)因斯坦意識(shí)到玻色工作的重要性，立即著手研究這一問(wèn)題。

3、愛(ài)因斯坦于1924和1925年發(fā)表了兩篇文章，將玻色對(duì)光子的統(tǒng)計(jì)方法推廣到某類(lèi)原子，并預(yù)言當(dāng)這類(lèi)原子的溫度足夠低時(shí)，所有的原子就會(huì)突然聚集在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是所謂的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（Bose-EinsteinQondensation,BEQ）,這時(shí)宏觀量物質(zhì)的狀態(tài)可以用同一波函數(shù)來(lái)描寫(xiě)。從理論上講，處在這種狀態(tài)的物質(zhì)在性質(zhì)上有別于通常的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)，故有人又稱(chēng)其為物質(zhì)的第五態(tài)。玻色和愛(ài)因斯坦所采用的統(tǒng)計(jì)方法后來(lái)被稱(chēng)為玻色一愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，而服從這種統(tǒng)計(jì)的粒子被統(tǒng)稱(chēng)為玻色子。有一類(lèi)粒子服從的是1926年誕然而，并不是所有微觀粒子都服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì),生的費(fèi)米-狄拉克

4、統(tǒng)計(jì)，這類(lèi)粒子被統(tǒng)稱(chēng)為費(fèi)米子。費(fèi)米子不同于玻色子，它服從泡利不相容原理，即兩個(gè)費(fèi)米子不能占據(jù)同一個(gè)態(tài)。利用這一點(diǎn)可以解釋元素周期表。費(fèi)米子之間相互排斥，這是一種量子壓力，它在無(wú)任何外力時(shí)也存在。而玻色子的情況則相反，一個(gè)量子態(tài)上可以有任意多個(gè)粒子占據(jù)著。微觀粒子究竟屬于哪一類(lèi)是由其自旋決定的，自旋為整數(shù)的如光子、膠子等是玻色子，而為半整數(shù)的如電子、夸克等則是費(fèi)米子。雖然超導(dǎo)體中的電子服從費(fèi)米一狄拉克統(tǒng)計(jì)，但在某種機(jī)制下，電子與電子可以形成電子對(duì)，而電子對(duì)可以被看成是玻色子，電子對(duì)的玻色一愛(ài)因斯坦凝聚被認(rèn)為是超導(dǎo)電性的根源。除了用于解釋超流和超導(dǎo)外，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚這一概念已經(jīng)擴(kuò)展到物理學(xué)的很

5、多領(lǐng)域，如半導(dǎo)體物理學(xué)、天體物理學(xué)以及基本粒子物理學(xué)等。雖然超流和超導(dǎo)等都顯示了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象的存在，但這些系統(tǒng)都很復(fù)雜，凝聚現(xiàn)象只部分地發(fā)生在這些系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的強(qiáng)相互作用也趨于掩蓋玻色一愛(ài)因斯坦凝聚，理論和實(shí)驗(yàn)的定量都比較困難。另一方面，自從1925年提出BEC以來(lái)，陸續(xù)有不少尋求BEC實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的研究出現(xiàn)。首先是提出的超流態(tài)液氨，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中確實(shí)看到量子簡(jiǎn)并的特性，但是由于系統(tǒng)中存在著強(qiáng)相互作用，很難看成是純的BEC。接著1959年有人提出自旋極化氫原子氣體可能是BEC的候選者，但至今仍未能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。1980年，第三種重要的BEC候選者一一氧化亞銅(Cu2O)中的激子被提出。經(jīng)

6、過(guò)10多年的努力，雖然于1993年在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了，但是由于復(fù)雜的相互作用過(guò)程，BEC的特性得不到很好的研究。二、激光冷卻和捕陷原子如何才能觀測(cè)到玻色一愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象呢？愛(ài)因斯坦首先指出，理論上這需要原子的德布羅意波相互重合。這本來(lái)不是問(wèn)題，但在形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之前原子有可能就已經(jīng)形成了分子。為了避免這種強(qiáng)相互作用，要求原子間的距離比化學(xué)力的范圍要大，而且它們的德布羅意波仍能相互重合，即德布羅意波長(zhǎng)大于粒子間的平均間距。這就要求相密度必須大于一定的值。在給定原子密度條件下，存在一個(gè)極限溫度Tc,當(dāng)原子氣體的溫度T小于Tc時(shí)，相密度大于規(guī)定的值，原子間的間隔小于德布羅意波長(zhǎng)，原子氣體將產(chǎn)

7、生玻色一愛(ài)因斯坦相變。這些都對(duì)實(shí)驗(yàn)提出了很高的要求，如何增加原子相密度、降低原子溫度也正是實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)上，堿金屬原子因具有簡(jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)而在實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究中備受青睞。80年代中期，激光冷卻和捕陷原子的研究已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，幾個(gè)研究小組提出了冷卻的堿金屬原子可以形成只有很弱相互作用的BEC。在不斷克服實(shí)現(xiàn)BEC的一系列技術(shù)難題后，1995年堿金屬原子的BEC終于在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了，這是BEC實(shí)驗(yàn)研究史上最重要的進(jìn)展。在過(guò)去的10多年中，激光冷卻和捕陷原子技術(shù)的發(fā)展，使堿金屬原子相密度增大了15個(gè)數(shù)量級(jí)，但距實(shí)現(xiàn)玻色愛(ài)因斯坦凝聚所需的值仍小105106倍。為

8、了實(shí)現(xiàn)玻色愛(ài)因斯坦凝聚，美國(guó)科羅拉多大學(xué)物理系的威曼小組使用了混合的冷卻方法。他們首先用激光冷卻氣體原子技術(shù)冷卻原子，并用磁勢(shì)阱將冷卻原子捕陷于勢(shì)阱中，然后用蒸發(fā)冷卻技術(shù)使原子的溫度和相密度達(dá)到發(fā)生玻色一愛(ài)因斯坦凝聚的條件。至今，激光冷卻和捕陷原子的技術(shù)已有20年的發(fā)展史。從原理上講，所有用激光去影響原子運(yùn)動(dòng)（冷卻、捕陷等）的過(guò)程，都基于原子對(duì)光子的吸收、再發(fā)射，或者廣義地說(shuō)都基于散射而導(dǎo)致的反沖。1980年，全世界僅有幾個(gè)研究小組進(jìn)行這項(xiàng)工作，而現(xiàn)在已有100多個(gè)小組進(jìn)行這項(xiàng)研究，原子氣體的溫度也從10-2K降低到10-2Ko原子氣體的溫度在微觀上對(duì)應(yīng)于原子的平均速度，溫度越高，原子的運(yùn)動(dòng)越

9、快。室溫下氣體原子的平均速度約為每秒幾百米，而實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚需要把原子速度降到每秒幾厘米甚至更慢。離開(kāi)了激光冷卻與原子捕陷技術(shù)，這是不可能做到的。美籍華裔科學(xué)家朱棣文、美國(guó)科學(xué)家威廉菲利普斯和法國(guó)科學(xué)家克洛德科昂塔努吉因?yàn)樵诩す饫鋮s和原子捕陷方面的貢獻(xiàn)，榮獲了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。激光冷卻氣體原子的原理可簡(jiǎn)單地概括如下：多普勒冷卻機(jī)制，即利用原子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效應(yīng)。這種冷卻機(jī)制受自然線寬限制，最低冷卻溫度可達(dá)到幾十至幾百微開(kāi)（106K）。偏振梯度激光冷卻機(jī)制，是基于光抽運(yùn)、光頻移等物理效應(yīng)，在多能級(jí)原子系統(tǒng)中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)。原子飛過(guò)激光偏振狀態(tài)不斷變化的場(chǎng)時(shí)，總在

10、不斷地“爬坡”，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，經(jīng)自發(fā)輻射出藍(lán)移光子而被冷卻。偏振梯度冷卻可使原子氣體溫度冷卻到小于多普勒冷卻極限，達(dá)到幾微開(kāi)至幾十微開(kāi)。速度選擇相干粒子數(shù)囚禁冷卻，是基于三能級(jí)原子在光的驅(qū)動(dòng)下使原子處于相干疊加態(tài)，這時(shí)原子與光場(chǎng)脫耦，不再吸收光子，因而也無(wú)動(dòng)量擴(kuò)散。滿(mǎn)足相干囚禁的原子速度接近于零，速度不為零的原子將吸收光子，原子動(dòng)量將重新布居。只有當(dāng)原子落入速度為零的相干疊加態(tài)時(shí)，原子才不再吸收光子而停留在相干疊加態(tài)上。這樣，原子的動(dòng)量可小于光子反沖動(dòng)量，相應(yīng)的氣體溫度可達(dá)1011K。與激光冷卻技術(shù)同時(shí)發(fā)展起來(lái)的一種冷卻原子的方法為蒸發(fā)冷卻技術(shù)。這種方法是將平衡分布中的快速原子從陷阱中排除

11、（蒸發(fā)），在原子間彈性碰撞的過(guò)程中，達(dá)到新的準(zhǔn)平衡分這是實(shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的重要布。這時(shí)，氣體的溫度降低而且低速原子的密度增大。步驟之一。hnlU'/it-Homsuftcrcivccoolmy如何使這些低速原子聚集在固定的區(qū)域內(nèi)呢？囚禁超冷原子的技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。目前常用的捕獲原子的陷阱有兩類(lèi)，一類(lèi)是光陷阱，另一類(lèi)是磁陷阱。光陷阱的勢(shì)壘深度較淺，在玻色一愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中多使用磁陷阱。磁陷阱是由一對(duì)反向聯(lián)接的赫姆霍茲線圈構(gòu)成，其中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。對(duì)于尋找弱場(chǎng)的原子在磁勢(shì)場(chǎng)中將受力而囚禁于陷阱中心。在實(shí)現(xiàn)玻色一愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)中，使用的是磁光陷阱，磁場(chǎng)用來(lái)束縛原子，而光場(chǎng)用來(lái)

12、冷卻和捕獲原子。這種陷阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低而且十分有效。囚禁的原子氣體溫度將小于1毫開(kāi)（103K）,原子的密度為1010/厘米3。限制原子密度增大的因素是原子間的碰撞，特別是基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子的碰撞。為了提高原子密度，美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了暗點(diǎn)磁光陷阱，即在磁光陷阱中心超冷原子積聚的地方，減弱光抽運(yùn)光強(qiáng)，使原子處于激發(fā)態(tài)的概率降低，由此來(lái)減小限制原子密度增加的因素，從而可收集到更多的原子，以增加原子密度。利用這種方法原子密度可提高到1012/厘米3。然而，磁陷阱存在著一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，即由于磁陷阱的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，這里無(wú)磁場(chǎng)保持原子的排列，故囚禁的原子會(huì)漏出。此時(shí)，原子密度距產(chǎn)生玻色一愛(ài)因斯坦凝

13、聚的密度小4個(gè)數(shù)量級(jí)。為了克服這個(gè)缺陷，美國(guó)科羅拉多大學(xué)物理系的康奈爾提出增加一個(gè)旋磁場(chǎng)，使磁場(chǎng)零點(diǎn)偏離中心。這樣，超冷原子就可停留在中心，且永遠(yuǎn)達(dá)不到零點(diǎn)而漏出。這就是時(shí)間平均軌跡勢(shì)阱。另一個(gè)阻塞漏孔的方法是，用一個(gè)藍(lán)移光束經(jīng)過(guò)陷阱中心，因?yàn)樗{(lán)移光束對(duì)原子的斥力可使原子遠(yuǎn)離漏孔。最近的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)采用約費(fèi)型陷阱，效果很好。這種磁陷阱在軸向?yàn)榇牌浚趶较驗(yàn)樗臉O矩勢(shì)阱，沒(méi)有漏洞，這樣就增加了原子在勢(shì)阱中的數(shù)目。三、冷原子物理的應(yīng)用（一）、可觀測(cè)相干的物質(zhì)波波長(zhǎng)微觀世界的粒子都具有波粒二相性。德布羅意波（物質(zhì)波）波長(zhǎng)入=h/mv,與粒子的動(dòng)量呈反比。室溫原子因?yàn)槠骄俣冗_(dá)到幾百米每妙，

14、其德布羅意波長(zhǎng)為很小，大約為10-12米量級(jí)，原子大多處在不同的量子態(tài)上，相干長(zhǎng)度很短，難以形成干涉。冷原子最低溫度可達(dá)到幾個(gè)納K,平均速度可達(dá)到幾厘米每秒，德布羅意波長(zhǎng)約為10-7米量級(jí)，相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，能夠宏觀觀測(cè)到相干現(xiàn)象。當(dāng)堿金屬原子被大量冷卻到最低能態(tài)上從而產(chǎn)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚時(shí)，這些最低能態(tài)原子會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)波干涉，這是人類(lèi)第一次觀察到事物粒子的物質(zhì)波干涉現(xiàn)象。主要應(yīng)用領(lǐng)域：原子干涉儀。干涉測(cè)量技術(shù)目前普遍采用的是兩束激光之間的干涉。由于光子基本不受重力影響，難以用激光精確測(cè)量重力。原子受重力作用十分明顯，因此原子干涉儀可以有效低測(cè)量重力微小變化，以及引力波等等，將是未來(lái)航空航天技術(shù)必

15、不可少的設(shè)備。（二）、精確的能級(jí)結(jié)構(gòu)原子間的碰撞是原子能級(jí)的寬度增寬的主要因素。冷原子由于速度很小溫度很低，原子間的碰撞遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于熱原子，因此能級(jí)寬度遠(yuǎn)小于熱原子，具有更精確的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)和更窄的躍遷光譜，這對(duì)原子能級(jí)以及各種常數(shù)的精確測(cè)量具有重要意義。國(guó)際上已開(kāi)展冷原子激光放大器的研究，獲得了線寬遠(yuǎn)非常窄，單色性非常好的激光譜線。主要應(yīng)用：冷原子鐘原子鐘的精度取決于原子能級(jí)的精確程度。目前原子鐘主要采用原子精細(xì)能級(jí)躍遷作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。由于冷原子的能級(jí)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于熱原子，冷原子鐘會(huì)輸出更為精準(zhǔn)的頻率，因此會(huì)將人類(lèi)的時(shí)間精度大幅度提高，對(duì)人類(lèi)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和距離標(biāo)準(zhǔn)起到革命性的改進(jìn)，是未來(lái)全球定位系統(tǒng)和

16、宇宙空間定位系統(tǒng)的核心技術(shù)。目前歐洲“伽利略”全球定位系統(tǒng)計(jì)劃決定逐步采用冷原子鐘，美國(guó)也計(jì)劃應(yīng)用冷原子鐘來(lái)大幅度改善GPS系統(tǒng)的性能。冷原子鐘的研制將有著極其深遠(yuǎn)的軍事和科技意義。（三）、單原子的俘獲及操控在微觀尺度上操縱原子分子，按人類(lèi)的意愿改變?cè)臃肿娱g的排列組合，長(zhǎng)久以來(lái)是人類(lèi)的一個(gè)夢(mèng)想。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域前沿的表面物理中，依靠掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以移動(dòng)和控制一些原子的位置，但無(wú)法脫離樣品表面完成對(duì)原子分子的俘獲。激光冷卻技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。例如我們可以利用激光俘獲我們需要的原子，再用激光將其輸送到需要的地方，組合成新的分子或凝聚態(tài)物質(zhì)。我們甚至可以利用激光俘獲大生物分子如DNA等，

17、取代上面某些原子，從而改善動(dòng)物或人類(lèi)的基因，這將引起分子生物學(xué)上的一次重大革命。目前德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所（MPQ）的科學(xué)家在歐洲核子中心（CERN）啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，內(nèi)容是利用激光冷卻技術(shù)俘獲反氫原子，研究它和氫原子間的異同。這個(gè)項(xiàng)目成功之日將是人類(lèi)控制并利用反物質(zhì)的開(kāi)端。（四）、量子態(tài)操控冷原子由于運(yùn)動(dòng)速度很慢，能級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此相比熱原子具有更為明確的量子態(tài)。更利于對(duì)它的量子態(tài)如外層電子自旋，原子磁矩等等進(jìn)行控制。同時(shí)冷原子量子態(tài)的變化可以反過(guò)來(lái)控制光信號(hào)，完成信息處理過(guò)程。目前較為成熟量子態(tài)控制的有冷原子電磁感應(yīng)透明（EIT）,相干布居數(shù)囚禁（CPT）等等。主要應(yīng)用：量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)是量子信息技術(shù)面臨的最大難題。物理學(xué)家曾嘗試多種方案，但都無(wú)法有效克服系統(tǒng)退相干的問(wèn)題。冷原子由于相干時(shí)間長(zhǎng)，量子態(tài)更利于操控等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為量子計(jì)算首要的候選者。量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將是人類(lèi)科技的一次重要革命，將標(biāo)志著人類(lèi)全面步入信息時(shí)代，未來(lái)的量子芯片很可能是囚禁在某個(gè)光子晶體內(nèi)的冷原子系統(tǒng)，這將是冷原子物理研究對(duì)人類(lèi)文