激光冷卻和波色愛因斯坦凝聚

激光冷卻和波色愛因斯坦凝聚第1頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一什么叫激光冷卻利用激光光子和原子間的動(dòng)量傳遞,使原子云(團(tuán))的速度分布范圍壓縮。利用激光光場(chǎng)形成的勢(shì)阱對(duì)原子進(jìn)行捕陷或囚禁。第2頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度溫度實(shí)際上反映了空氣中分子的運(yùn)動(dòng)能量的大小，溫度越低，空氣分子平均動(dòng)能越小。根據(jù)氣體分子的麥克斯韋分布有第3頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同溫度定義多普勒冷卻極限溫度參與冷卻激光冷卻力與冷卻過程中自發(fā)輻射引起的擴(kuò)散達(dá)對(duì)原子共同作用到平衡的結(jié)果。

Na238KRb142KCs120K

第4頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一量子反沖極限溫度原子速度分布在一個(gè)光子反沖以內(nèi)，即Na2.4μKRb0.37μKCs0.20μK第5頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第6頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、概述1、激光冷卻研究對(duì)象：原子在光吸收和反射過程中所受的力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用等問題。2、光子的動(dòng)量-康普頓效應(yīng)第7頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一康普頓效應(yīng)(1923)當(dāng)看成微粒入射的X射線與物質(zhì)內(nèi)的電子撞擊時(shí)，電子將使x射線微粒散射撞向至與入射方向不同的方向上，即x射線微粒改變運(yùn)動(dòng)方向，故其動(dòng)量發(fā)生變化。第8頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一愛因斯坦躍遷理論（1916）受激吸收第9頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自發(fā)輻射受激輻射第10頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一激光冷卻的發(fā)展歷史1933年由Firsch用鈉燈使鈉原子束發(fā)生略微的偏轉(zhuǎn)。1975年Hansch和Shawlow提出激光冷卻1978年Ashkin提出原子俘獲的想法1979年Balykin、Letokhov等啁啾激光原子束減速1982年P(guān)hillips等空間塞曼原子變頻原子束減速第11頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1985年朱棣文實(shí)現(xiàn)原子三維冷卻1986年實(shí)現(xiàn)三維原子捕獲（10-4K）1987年亞多普勒冷卻(10-5K)1992年喇曼激光冷卻1994年相干布居數(shù)囚禁實(shí)驗(yàn)(10-7K)1995年實(shí)現(xiàn)波色-愛因斯坦凝聚(nK)第12頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一原子束的減速利用共振激光與原子束對(duì)射，在原子受激吸收過程中，光子的定向動(dòng)量傳給原子，使原子減速。然后，原子自發(fā)輻射回到基態(tài)。這時(shí)，發(fā)射光子方向是任意的，從大量平均效果來說，自發(fā)輻射對(duì)原子動(dòng)量改變貢獻(xiàn)為零。第13頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一需注意的兩個(gè)問題多普勒頻移原子減速過程中由于多普勒效應(yīng)實(shí)際感受的的頻率為原子與光束反向時(shí)，共振頻率向頻率較低處移動(dòng)（紅移）；同向時(shí)，共振頻率向高處移動(dòng)（藍(lán)移）。

第14頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第15頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

對(duì)于鈉原子束600°K，平均速度在1000米/秒，每吸收一個(gè)光子速度改變3厘米/秒，需要吸收3×104個(gè)光子才能將原子速度減至零。但由于多普勒效應(yīng)的影響，冷卻過程中原子共振頻率是不斷變化的，原子吸收100個(gè)光子由于多普勒頻移的改變就會(huì)離共振。使冷卻過程終止。第16頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光抽運(yùn)原子基態(tài)是多重的，而作用光只能與其中的一對(duì)基態(tài)和激發(fā)態(tài)共振，在自發(fā)輻射過程中，原子又不一定回到基態(tài)，可能被光抽運(yùn)到其他基態(tài)能級(jí)，從而使冷卻停止。第17頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第18頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光抽運(yùn)問題的解決1、用多個(gè)頻率的光共同作用第19頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、用圓偏振光第20頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一掃頻（啁啾）減速第21頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第22頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一空間塞曼能級(jí)變化可以制造一空間變化的磁場(chǎng)，使塞曼能級(jí)變化抵消冷卻引起的多普勒頻移變化第23頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第24頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第25頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第26頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多普勒冷卻第27頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第28頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三維多普勒冷卻（光學(xué)粘膠）

S.Chu1985第29頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光陷阱利用光的偶極勢(shì)囚禁原子缺點(diǎn)：有自發(fā)輻射存在的加熱效應(yīng)冷卻后原子的囚禁第30頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磁陷阱利用磁場(chǎng)空間變化囚禁原子缺陷：在B=0附近原子會(huì)磁矩迷失，從而發(fā)生逃逸。第31頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磁光陷阱第32頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第33頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第34頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第35頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第36頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度測(cè)量飛行時(shí)間法通過測(cè)量原子云在自由下落過程中的擴(kuò)散情況，測(cè)量原子云中原子速度的分布情況，從而求得溫度。第37頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第38頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第39頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多普勒冷卻的突破1985年美國(guó)NIST小組得到了一些用多普勒理論無法解釋的結(jié)果。在磁光陷阱中得到原子云的溫度低于多普勒極限溫度。與此同時(shí)，中科院上海光機(jī)所王育竹也在原子束上觀察到一維冷卻低于多普勒極限溫度的情況。第40頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一西西弗斯效應(yīng)原子在強(qiáng)駐波場(chǎng)中，由于斯塔克效應(yīng)能級(jí)會(huì)隨場(chǎng)強(qiáng)變化，原子通常在走到基態(tài)頂部更易吸收紅移光子到達(dá)激發(fā)態(tài)底部，而激發(fā)態(tài)原子消耗動(dòng)能到達(dá)頂部，這時(shí)，自發(fā)輻射的幾率最大，放出藍(lán)移光子，回到基態(tài)低部，原子再消耗動(dòng)能爬上基態(tài)的低部，再一次吸收紅移光子到達(dá)激發(fā)態(tài)底部。這樣不斷吸收紅移光子放出藍(lán)移光子使原子動(dòng)能不斷消耗，而被冷卻。第41頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第42頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一偏振梯度冷卻第43頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第44頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第45頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第46頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一亞反沖極限冷卻速度選擇相干布居數(shù)囚禁原子存在一個(gè)與速度有關(guān)而與光無關(guān)的黑態(tài)，可作為原子的囚禁態(tài)喇曼冷卻利用原子喇曼躍遷，對(duì)原子有速度選擇的作用，從而達(dá)到冷卻原子的目的。第47頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一速度選擇相干布居數(shù)囚禁對(duì)于原子和光場(chǎng)組成的系統(tǒng)，光場(chǎng)、原子與原子和光的相互作用的哈密頓算子HA、HL和VAL對(duì)于態(tài)組成的基組的總哈密頓量為其中ωR為拉比頻率。第48頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于態(tài)有即光場(chǎng)和該態(tài)沒有作用，這個(gè)態(tài)被稱為黑態(tài)。第49頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第50頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第51頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第52頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一喇曼冷卻第53頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第54頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一蒸發(fā)冷卻與波色-愛因斯坦凝聚什么是波色-愛因斯坦凝聚？當(dāng)原子云的密度和溫度達(dá)到一定的限度，使得原子與原子間的物質(zhì)波發(fā)生交疊，原子出現(xiàn)了群體得效應(yīng)，如超導(dǎo)、超流等。如果原子相空間密度達(dá)到可觀察到波色-愛因斯坦凝聚。第55頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一蒸發(fā)冷卻第56頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第57頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磁陷阱的堵漏第58頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第59頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一波色-愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)第60頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第61頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

玻色-愛因斯坦凝聚性質(zhì)

(1)BEC的靜態(tài)性質(zhì)

BEC的靜態(tài)性質(zhì)主要指它的大小、形狀、轉(zhuǎn)變溫度、凝聚態(tài)原子數(shù)和原子密度等。這取決于原子的特性與囚禁勢(shì)的不同。BEC的大小為10μm～100μm量級(jí)。由于勢(shì)阱中的勢(shì)是各向異性的，因此多數(shù)BEC的形狀不呈圓形，而是橢球狀，其長(zhǎng)短軸線度之比稱為縱橫比(aspectratio)，一般為幾到十幾，甚至更大。

第62頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一般轉(zhuǎn)變溫度為100nK～2μK，受勢(shì)阱情況影響很大，也與阱中原子數(shù)和密度有關(guān)；凝聚原子數(shù)則從幾百到109，原子密度變化也很大，可高達(dá)1015/cm3。

第63頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(2)BEC的動(dòng)態(tài)特性

BEC的動(dòng)態(tài)特性包括了一系列現(xiàn)象，是研究的主要方面，如BEC的穩(wěn)定性，擴(kuò)張，集體激發(fā)，振蕩和衰變等，這些現(xiàn)象都涉及BEC內(nèi)原子之間和原子與阱勢(shì)的相互作用，是“非常冷”的原子團(tuán)的特性。第64頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

BEC是不穩(wěn)定的，隨著時(shí)間衰變，有一定壽命，一般為幾秒到幾分鐘。

撤去磁阱后BEC自由膨脹，其原因有二。一是因?yàn)樵訄F(tuán)被阱束縛在很小的范圍內(nèi)，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，位置限制得愈小，動(dòng)量的變動(dòng)就越大，因此，BEC從阱中釋放后，擴(kuò)張很快；二是原子間的相互作用，它們是排斥性的，也使BEC擴(kuò)張。

第65頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

BEC是一種宏觀量子現(xiàn)象，在磁阱中純BEC的溫度接近于零，但處在量子基態(tài)的原子團(tuán)還在做零點(diǎn)振動(dòng)?？梢园阉鼈兗w激發(fā)，也是一種“元激發(fā)”，使它們激發(fā)到阱中的高能級(jí)激發(fā)態(tài)，它們也可用n,l,m量子數(shù)來描述，其中n表示徑向量子數(shù)，l，m表示總角動(dòng)量及其軸向分量。激發(fā)方法是對(duì)阱勢(shì)做一個(gè)隨時(shí)間變化的擾動(dòng)，或進(jìn)行調(diào)制。

第66頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一然后對(duì)它們的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)量。一般是用吸收成像法或在位色散成像法(后者更好)測(cè)原子云的形態(tài)變化，振動(dòng)及其隨時(shí)間的衰減。原子云的振蕩實(shí)際上是聲振蕩，因此對(duì)聲波傳播具有重要影響，這是傳統(tǒng)超流體研究的主要課題，對(duì)了解玻色氣體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有顯著作用。

第67頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(3)BEC的相干性

玻色凝聚體的一個(gè)顯著特點(diǎn)是可用一個(gè)宏觀波函數(shù)來描述，整個(gè)原子云具有統(tǒng)一的相位。因此BEC中的原子具有相干性，如果兩團(tuán)BEC相遇，就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。

第68頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(4)BEC的宏觀物質(zhì)波性質(zhì)

BEC有波動(dòng)性質(zhì),比如，布喇格衍射。此外，在非線性介質(zhì)中還有類似非線性光學(xué)的性質(zhì)，如產(chǎn)生四波混頻，可進(jìn)行物質(zhì)波放大等。

第69頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(5)BEC的轉(zhuǎn)動(dòng)，渦旋和超流性質(zhì)

超流的一個(gè)奇異特性體現(xiàn)在“旋轉(zhuǎn)水桶”實(shí)驗(yàn)中：尋常液體放在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)容器中，液體將跟著整個(gè)容器轉(zhuǎn)；但超流體則完全不同，若轉(zhuǎn)動(dòng)頻率低，液體不轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高于某一臨界值，則液體的速度場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)渦旋絲。它是量子化的，即環(huán)繞渦旋的速度環(huán)流之值為

第70頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一其中Ω為流體旋轉(zhuǎn)速度，n是整數(shù)，M是液體粒子的質(zhì)量，h是普朗克常數(shù)。BEC中的“速度”體現(xiàn)在其相位的梯度上，這種量子化也可理解為圍繞渦旋一圈相位改變2π。因此，出現(xiàn)渦旋是BEC超流性的表現(xiàn)。

第71頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第72頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一與超流有關(guān)的一個(gè)突出成果是BEC在光學(xué)柵格中從超流態(tài)轉(zhuǎn)到絕緣態(tài)的相變實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)由Hansch小組完成。他們?cè)?7Rb的BEC中用六束正交激光駐波發(fā)生光學(xué)柵格，形成如圖那樣的勢(shì)壘，調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度可以改變勢(shì)壘的峰谷高度，

第73頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第74頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從而實(shí)現(xiàn)BEC狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在低溫下(約10nK以下)，所有氣體銣原子可自由在BEC中流動(dòng)而沒有摩擦，處于超流態(tài)。當(dāng)勢(shì)壘有一些高度時(shí)，氣體仍保持著超流態(tài)，所有原子仍是相干的；但當(dāng)勢(shì)壘高度超過一定值時(shí)，原子被禁錮在一個(gè)勢(shì)谷中而不能流動(dòng)，成為絕緣態(tài)，各格點(diǎn)中的原子