三能级原子激光冷却、囚禁与操控的理论研究
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却和陷俘是现代原子物理和量子物理研究中的重要技术手段。
通过激光冷却，科学家可以将原子降温到极低的温度，甚至冷却到接近绝对零度，这为原子和分子的量子行为研究提供了良好的实验条件。
通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在精密的磁场或光场中，实现原子的精密操控和量子信息处理。
本文将介绍原子的激光冷却及陷俘研究的基本原理和最新进展。
一、激光冷却的基本原理激光冷却是一种利用激光对原子进行冷却的技术。
在20世纪80年代，美国的斯蒂文·肖和克劳斯·冯·克莱高认识到，激光可以对原子施加一个反向的动量，并将原子从热运动中捕获并冷却。
他们于1997年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他们对激光冷却的开创性研究。
激光冷却的基本原理如下：1. 蓝移：当激光与原子发生相互作用时，激光的能量可以被原子吸收，使得原子的能级发生变化。
如果激光的频率高于原子的共振频率，原子将吸收激光的能量并向前运动。
这种现象称为蓝移，是激光冷却的基础。
2. 随机行走：在蓝移的作用下，原子由于吸收激光的能量而受到推动，但同时又受到来自热运动的影响。
这使得原子表现出随机的运动，即随机行走。
通过控制激光的参数，可以使原子在随机行走的过程中逐渐减速并冷却。
3. 冷却限：由于不确定性原理的限制，原子无法被冷却到绝对零度，存在一个极限温度，称为冷却限。
冷却限是激光冷却的一个重要参数，科学家们通过不断改进激光系统和优化实验条件，努力突破冷却限，实现极低温度的原子冷却。
二、陷俘技术的基本原理陷俘技术是一种利用精密场控制原子运动的技术。
常见的陷俘方法包括磁光陷阱、磁力陷阱和光力陷阱等。
通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在一个小区域内，并对其进行精密操控和测量。
陷俘技术的基本原理如下：1. 势能陷阱：通过磁场或光场的调控，可以在空间中产生一个势能曲面，使得原子被束缚在一个小区域内。
这种势能曲面称为陷阱，可以是静态的，也可以是时间变化的。
超冷原子物理学的发展和应用
超冷原子物理学的发展和应用超冷原子物理学是一门近年来兴起的物理学领域，它利用激光冷却和磁光陷阱等先进技术，将气体原子冷却到极低温度（通常低于微克级别），从而实现了与原子运动相对于很慢的准静态条件。
这种极低温下的原子体系表现出了一些非常特殊的量子效应，成为研究量子物理和量子信息科学的重要实验平台。
本文将从超冷原子物理学的发展历程、基本原理和实验应用三个方面进行综述，并对未来研究方向进行展望。
一、发展历程20世纪80年代，激光冷却技术的出现为原子物理学带来了革命性的变化，研究者们发现可以利用激光和磁场将气体原子冷却到几微开尔文以下的超低温度，得到极低速度的原子束，这一技术为原子物理学的研究提供了新的可能性。
此后，又出现了磁光陷阱技术，可以将气体原子限制在三维空间中的小区域内，形成一个原子云，这样就可以更好地进行原子物理的实验研究。
二、基本原理在超冷原子物理学中，主要运用了激光冷却和磁光陷阱技术。
激光冷却是利用激光的多普勒效应降低原子的热动能，使原子的速度降低，温度降低，实现原子的凝聚。
这种冷却方法的原理在于利用激光的多普勒效应，将激光的频率和原子的共振频率之差设为正值，这时原子向激光传递能量，速度降低，从而达到冷却的效果。
磁光陷阱则是通过磁场和激光共同作用来限制原子的运动，从而形成一个原子云。
在磁光陷阱中，通过磁场的梯度形成一个空间上的势场，利用激光在这个势场中形成一个光学势场，这样可以将原子束限制在一个三维空间中的小区域内，形成一个原子云。
三、实验超冷原子物理学的实验应用非常广泛，以下介绍其中几个重要的应用：量子信息科学超冷原子物理学在量子信息科学中发挥了重要作用，例如量子计算和量子通信。
超冷原子体系的量子特性使其成为理想的量子比特和量子信道，同时超冷原子之间的相互作用也为构建量子网络提供了可行的方案。
精密测量超冷原子物理学在精密测量领域中也有广泛应用，例如利用原子钟测量时间的稳定性和精确度已经达到了前所未有的水平。
AMO物理学的研究进展
AMO物理学的研究进展AMO（原子、分子和光）物理学是物理学中的一门重要学科，涉及到原子、分子和光的结构、性质和相互作用的研究。
在过去的几十年中，人类对原子和分子的理解不断深入，同时也发展出了许多新颖的实验和理论方法，如激光光谱学、冷原子物理学等。
本文将介绍AMO物理学的研究进展和相关的挑战。
冷原子物理学冷原子物理学是近年来发展最为迅速的AMO物理学分支之一。
它研究的是将原子冷却到极低温度（通常为几微开尔文）的状态，从而使原子之间的相互作用达到量子级别。
这种低温状态的原子可以在高真空中加入电磁场以生成玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），这是一种特殊的凝聚态，其中千万个原子的量子波函数变得排列有序而相干，并且表现出很多奇异的量子现象。
BEC的产生对于理解量子力学基本问题和发展下一代量子设备都具有重要意义。
近年来，冷原子物理学还出现了一些新的领域，如超冷分子物理，它们通过控制分子之间的相互作用来探索分子之间的格局。
冷原子技术还被应用于多种应用领域，如：磁共振成像（MRI）、原子钟、精密测量等。
激光光谱学激光光谱学是AMO物理学的另一个重要分支。
这是一种非常强大的技术，用于在原子和分子中探测和分析出微弱的能级结构和量子相互作用。
激光光谱学可以通过与特定的电离电子或其他辅助分子进行相互作用来改善其灵敏度，并且它已被广泛用于分析大气、宇宙空间和纳米材料中的物质。
最新的研究表明，激光光谱学还可以用于医学成像，与现有的医学诊断方案相比，它提供更高的灵敏度和分辨率，可以研究和诊断许多潜在的疾病。
光场控制光场控制是一种可编程的途径，其调节光场以达到特定的目的。
具体而言，光场控制可以被用来控制光波与原子和分子的相互作用，从而改变或增强其某些量子态的性质。
基于这种技术，科学家们可以制备出一些非常独特的量子态，如双重态、三重态、四重态，也称为量子戏剧，这些态可以用于纠缠计算和量子通信。
总结总的来说，AMO物理学在过去几十年里获得了巨大的进展，在原子结构、相互作用和精密测量等领域都取得了重要成果。
激光冷却与诱捕
（我们将激光的频率 g与原子的吸收频率做以上处理）
相向
同向
This provides strong damping of any atomic motion and cools
the atomic vapor This arrangement of laser fields is often known as "optical molasses”.
（2）DEEPER DEVELOPMENT
2.1 亚多普勒冷却
1986年以后的激光冷却的实验结果使人们对多普勒冷却 机制的温度极限产生了怀疑,美国国家标准与技术研究所和 美国贝尔实验室都发现了实验结果与理论矛盾。发现在光学 粘胶中,当失谐量δ(即激光频率与原子共振频率之差)越大,原 子被囚禁的时间越长,原子气体的温度就越低。1988年,他们 采用飞行时间法测得钠原子的冷却温40μK,远低于多普勒极 限240μK 。斯坦福大学和法国巴黎高师究小组分别对铯原 子和亚稳态的氦原子进行测量,测得原子温度低于多普勒极 限。1987年,上海光机所的研究小组在一维冷却钠原子的实 验中也独立地发现钠原子温度为60μK,低于多普勒极限。这 些结果一开始很难让人接受,但众多的实验事实使人们相信, 多普勒冷却机制已被打破,必须用新的机制和新的理论来解 释这些令人迷惑的结果。
……
1.3 Optical Molasses(光学糖浆)
我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品 的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动 方向指向激光的光源时，由于多普勒效应，在这个原子 看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调 在略低于f0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子 “看”到的激光频率正好等于f0。这样，这个原子就有可 能吸收激光的能量。在它吸收能量时，它同时也获得了 动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反，获 得的动量将使原子的运动速度变慢。 如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时，由于 多普勒效应，这个原子看到的激光频率将降低，这样将 更加远离它能吸收的电磁波的频率，所以这个原子不会 吸收激光的能量，也不会从激光那里获得使它加速的动 量。
物理实验技术中的原子物理实验技巧介绍
物理实验技术中的原子物理实验技巧介绍在物理领域中，原子物理实验技术是不可或缺的一部分。
原子物理实验技术为我们研究原子结构、原子中的粒子运动以及原子间的相互作用提供了有效的工具和方法。
本文将介绍一些在原子物理实验中常用的技巧和技术，以帮助读者更好地理解和应用这些实验技术。
一、原子束的制备和操控原子束技术是研究原子的基本特性和行为的重要手段之一。
制备和操控原子束的关键在于控制原子的速度和方向。
常用的方法有热蒸发法、冷却法和电子轰击法等。
热蒸发法是通过将待研究的物质加热，使其原子蒸发并形成原子束。
这种方法适用于高温蒸发源，如铝、镍等材料。
冷却法则是使用超高真空室和低温环境，通过原子减速和冷却使原子束的速度降低到几十米/秒，以便进行详细的研究。
电子轰击法是利用电子束与原子碰撞，使原子被激发或离解，形成原子束。
二、原子激发和探测技术原子激发和探测是研究原子能级、能谱等问题的重要方法。
在实验中，我们需要对原子进行激发并观测其产生的辐射。
常用的方法包括光谱技术、激光激发技术和离子碰撞技术等。
光谱技术是通过将原子暴露在特定波长的光辐射中，使其吸收或发射特定的光谱线，从而得到有关原子的信息。
激光激发技术利用强激光束与原子相互作用，通过光子吸收或发射达到对原子能级的激发和探测。
离子碰撞技术则是将带电粒子与原子碰撞，观测碰撞后产生的辐射以及离子与原子的相互作用。
三、原子间的相互作用和分析原子间的相互作用研究对于了解原子的结构和性质至关重要。
原子间相互作用分析方法包括原子间力显微镜技术、原子力显微镜技术和分子束反应动力学技术等。
原子间力显微镜技术是通过探针与样品表面相互作用，测量相应的力变化，从而研究原子的化学键、晶格等性质。
原子力显微镜技术则是利用探针在原子尺度上的极小力作用，对样品表面进行扫描和测量，以得到高分辨率的原子图像。
分子束反应动力学技术是通过将分子束引导到特定的反应室中，观测分子与反应物相互作用的过程，以研究其反应动力学性质。
冷原子 量子信息
冷原子量子信息冷原子量子信息引言随着量子力学的发展，冷原子物理学成为探索量子信息科学的重要领域之一。
冷原子是指通过激光冷却和磁场控制等技术将原子降温到接近绝对零度的状态。
在这种极低温的环境中，原子的行为表现出奇特的量子特性，成为研究量子信息的理想平台。
本文将介绍冷原子量子信息的基本概念和研究进展。
一、冷原子的制备和操控冷原子的制备和操控是冷原子量子信息研究的基础。
通过激光冷却技术，科学家可以将原子的动能降低到几毫开尔文以下，使其几乎静止不动。
然后，利用磁场和电场的作用，可以进一步将原子束缚在特定的空间区域内。
这种冷却和束缚技术为研究量子信息提供了可控的平台。
二、量子比特的实现和操作量子比特是量子信息的基本单位，相当于经典计算机中的二进制位。
在冷原子量子信息中，量子比特可以通过原子的能级来实现。
通过激光的作用，可以将原子从基态激发到激发态，不同的能级表示不同的量子比特状态。
然后，利用激光的干涉和控制技术，可以对量子比特进行操作，如量子叠加、量子纠缠等。
三、冷原子的量子纠缠量子纠缠是量子信息处理的关键概念，也是冷原子量子信息研究的核心内容之一。
量子纠缠是指多个量子比特之间存在一种特殊的关联关系，无论它们之间有多远的距离，它们的状态都是相互依赖的。
在冷原子实验中，科学家可以通过调整激光的参数和原子的相互作用，实现原子之间的量子纠缠。
这种量子纠缠可以被用来进行量子通信、量子计算等任务。
四、冷原子的量子计算量子计算是利用量子比特的量子叠加和量子纠缠特性进行计算的新型计算方式。
在冷原子量子信息中，冷原子可以作为量子比特来进行量子计算。
通过操控和控制冷原子的能级和量子纠缠状态，可以实现量子比特之间的相互作用和计算。
冷原子量子计算具有并行计算能力强、解决某些问题效率高等优势，是未来量子计算的重要方向之一。
五、冷原子的量子通信量子通信是利用量子纠缠和量子比特的量子态传输信息的新型通信方式。
在冷原子量子信息中，冷原子可以作为量子比特来进行量子通信。
物理实验技术中的原子物理实验方法与技巧
物理实验技术中的原子物理实验方法与技巧近年来，原子物理实验技术的发展取得了巨大的突破，为我们更深入地认识原子结构和相互作用提供了重要的手段。
本文将介绍一些原子物理实验中常用的方法和技巧，以及它们在实验研究中的应用。
一、光谱分析和激光技术光谱分析是研究原子结构和能级的重要手段，而激光技术则为光谱分析提供了高精度和高分辨率的实验工具。
激光的单色性和定向性使得它可以选择性地激发和探测特定能级的原子，从而得到物质的微观结构信息。
例如，激光冷却技术利用激光光束对原子进行冷却，降低原子的热运动，使其达到低温状态，从而实现冷原子的物理实验研究。
二、原子精细结构测量原子的精细结构是指原子能级的微小分裂和能级跃迁的细节。
测量和研究原子的精细结构可以揭示物质的基本性质和相互作用规律。
典型的实验方法包括光学共振、自由光谱等。
通过调节激光的频率，可以实现对原子精细结构的精确测量。
这些实验方法为原子物理实验提供了有力的工具和手段。
三、原子干涉技术原子干涉技术是一种实验方法，它通过利用原子的波动性，观察原子在区域间的干涉现象，从而研究原子的性质和相互作用。
例如，干涉实验可以用来研究原子的相对相位和动量分布等。
近年来，原子干涉技术的发展进一步拓宽了我们对原子行为的认识。
四、原子操控技术原子操控技术是指通过外部场或局域介质等方式改变原子的位置、能量和自旋等。
通过操控原子，我们可以实现原子的单个探测、精细测量或者量子信息处理等。
例如，通过局域电场操控原子的自旋，可以实现原子的量子比特，从而用于量子计算和量子通信等应用。
五、原子力显微镜技术原子力显微镜（AFM）技术是一种利用原子间相互作用力进行成像的技术。
它通过探测和测量原子之间的相互作用力，可以实现对物质表面的高分辨率成像。
原子力显微镜技术广泛应用于材料科学研究、纳米技术和生物医学等领域，为我们深入了解物质的微观结构和性质提供了重要工具。
以上所介绍的原子物理实验方法和技巧只是其中的一部分，它们在物理学研究中的应用非常广泛。
中国激光冷却原子史的新解读_基于档案、手稿等新史料
㊀㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023):106-120学术沙龙中国激光冷却原子史的新解读基于档案、手稿等新史料钱逸涛㊀杨㊀凯摘㊀要㊀激光冷却原子是20世纪70年代国际原子物理界出现的一个新兴研究领域㊂中国科学家王育竹率先认识到冷原子物理具有革命性的研究前景,提出利用光频移效应实现激光冷却气体原子等新机制,并在20世纪80年代开展了一系列具有开拓性的实验工作㊂根据中国科学院上海光学精密机械研究所的档案㊁王育竹科研手稿等原始资料等,试重新解读中国激光冷却原子史,王育竹研究团队较早观察到了低于多普勒极限的新物理现象,但在后续实验验证工作的系统性㊁新理论框架的搭建上尚与斯坦福大学等研究团队存在差距㊂诺贝尔奖是各类条件下的综合性产物,以诺奖作为唯一评判标准忽视了在中国情境下科学研究的特殊性,新的科学评价标准需建立在长时段㊁综合性体系之上㊂关键词㊀激光冷却原子㊀王育竹㊀中国科学院上海光学精密机械研究所中图分类号㊀N092ʒO4文献标识码㊀A收稿日期:2023-09-25作者简介:钱逸涛,1999年生,安徽枞阳人,江苏科技大学科学技术史硕士研究生,研究方向为近现代中国科技史;杨凯,1985年生,浙江湖州人,江苏科技大学科学技术史研究所副教授,研究方向为近现代科技史㊂基金项目: 王育竹院士学术成长资料采集工程项目 (项目编号:CJGC2022-K-Z-SH02)㊂一 引言1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布该年度的诺贝尔物理学奖授予美601国物理学家朱棣文(Steven Chu)㊁威廉㊃菲利普斯(William D.Phillips)以及法国的科恩-塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji)教授,以表彰他们在发展用激光冷却和捕获原子方法方面所做出的杰出贡献㊂消息传至国内,国家自然科学基金委及很多国内科学家发现激光冷却原子研究领域早有中国学者王育竹踏足㊂有学者认为: 王育竹提出的激光冷却气体的物理思想与现在使用的机制是一致的㊂ [1]而王育竹的研究成果也早早发表在1980年‘科学通报“第9期及1981年的‘激光“第8期上,因此不少科学家甚至媒体发声认为 中国科学家错失诺贝尔物理学奖 中国学者距离诺贝尔奖仅咫尺之遥 [2]㊂王育竹是否真的曾接近诺贝尔物理学奖?笔者在搜集史料的过程中发现了两份来自诺贝尔奖委员会的来信(图1),信件内容显示王育竹被邀请为1997年度㊁1998年度诺贝尔物理学奖提交提案,并为自己选定的获奖发明或发现给出推荐理由,这表明诺奖委员会早已注意到了王育竹的研究成果,并对其研究工作给予了充分认可㊂关于这段早期中国激光冷却原子史研究尚留有诸多疑点,尤其是其中有几个核心问题:中国科学家王育竹关于激光冷却原子的研究在时间上是否具有优图1.诺贝尔奖物理学奖委员会的来信①701钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①诺贝尔奖委员会来信,1997㊁1998年,具体月份不详,该信件原件由王育竹院士办公室提供㊂801㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)先性?其研究在同期同类成果中处于什么位置?王育竹研究成果是否真正达到了国际领先水准?没有获得诺贝尔物理学奖是否意味着中国科学家此前的努力付诸流水?这些问题尚未能从前人研究成果中得到清晰完整的正面解答㊂关于中国激光冷却原子史,主要来自当事人的回忆性文章:王育竹记述了开展激光冷却原子初步阶段时期的动力㊁物理思想以及开展的实验结果[3],王义遒记述了其在北京大学开展利用与原子束逆向行进的激光束减速原子束研究的经历[4]㊂此外,陈崇斌等曾基于部分访谈资料和文献简述了中国激光冷却原子研究的发展史,并将其中的经验教训归结为缺乏关键的实验设备㊁科研资金不到位等因素[5]㊂本文拟根据对当事人的访谈资料㊁王育竹论文手稿㊁中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)所藏档案等新史料重新解读这段历史,并以此求教于学界同仁㊂二 国际国内同期同类成果的对比早在20世纪60年代就有苏联科学家提出可以利用激光驻波限制原子的活动范围,从而达到 捕获原子 的效果[6]㊂但完整提出利用激光辐射压力来冷却气体原子的机制则是来自斯坦福大学的肖洛(A.L.Schawlow)教授和德国物理学家汉斯(T.W.Hansch),在他们1975年发表的文章当中明确将激光冷却原子的过程称为 多普勒机制 ,并通过理论推导㊁数值估算将该机制对应的极限温度称为多普勒极限(大约为240μk)[7]㊂1984 1987年间斯坦福大学的朱棣文及其同事通过多次实验验证了多普勒冷却机制,并在此过程中进一步发展了构成了新的磁光陷阱(Magneto-tptical trap,以下简称 MOT )技术,MOT技术进一步提高了冷却原子的密度,延长了观察时间,为后续激光冷却原子的实验工作提供了重要的技术手段[8,9]㊂汉斯㊁肖洛提出的多普勒冷却机制从提出到成功验证跨越了近10年时间,在此期间激光冷却原子研究虽然在国际上产生了一些反响,但影响范围有限,在中国开展激光冷却气体原子研究的单位更不多见,主要有上海光机所的王育竹的团队和北京大学的王义遒研究团队等,其中王育竹最早认识到了激光冷却原子这种新技术具有广泛的应用前景,据王育竹回忆:1978年我们在工厂完成了航天科学技术所需的科研任务后,重新回到了研究所,开始了科研工作㊂我们已经离开研究工作七年了,搞什么研究课题呢?国际上发展现状如何?在图书馆我查到了1975年汉斯和肖洛发表在光通讯上的文章,他们提出激光冷却气体原子的建议 这篇文章对我产生了巨大的吸引力 我决心投入到 激光冷却气体原子 研究中去,因而决定了我后半生的科研道路㊂[10]传统原子钟的性能受限于原子的热运动速度,若能有效减缓热原子的运动速度就能大幅提高原子钟的稳定度和精确度,这对原子钟技术的改进将是革命性的㊂基于此,王育竹在1977年就提出了利用积分球红移漫反射激光冷却气体原子,在一份王育竹亲写的手稿当中记录了他当时提出该机制的理论思想和初步推算(图2),其基本物理思路是当原子进入球型腔后,球内的红移漫发射激光与原子发生共振,原子受到共振光压的作用会不断减慢速度,从而达到冷却效果㊂但是这种新机制的实验条件十分严苛,比如要求实验中的光学系统是一个对原子束轴向对称的系统,球形腔内各方向传播的光强度均等㊂因此相关实验直到1992年才完成,并证明了该机制属于多普勒机制的范畴㊂图2.王育竹关于激光冷却原子束方案讨论手稿[11]多普勒冷却机制在1975年被提出后虽然在国际上经各研究小组反复验证,但随着大量新实验研究结果出现,科学家发现所谓多普勒极限是可以被突破的㊂比如王育竹在1979年提出的利用交流斯塔克效应(光频移效应)激光冷却原子,正是一个不同于多普勒冷却的新机制[12]㊂除此之外,王义遒研究团队也于20世纪80年代率先提出利用激光减速原子束频标的新方法[13]㊂这说明中国科学家是901钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀在激光冷却原子研究领域尚不热门时就介入了该领域的研究中来,但对于前述核心问题如:国内研究成果同国外同类型研究成果相比到了哪一阶段?其物理思想落实到何种程度?发表时间上又是什么顺序?则需要进一步的梳理分析㊂笔者汇总了1975 1989年间国内外具有代表性的激光冷却原子领域学术成果(表1)㊂表1.1975—1989年间部分国内外激光冷却原子领域代表性学术成果表序号主要作者主要完成单位文章性质发表刊物发表时间1 A.Ashkin美国贝尔实验室实验结果Phys.Rev.Lett1970 2Haensch T等斯坦福大学理论构建mum19753 D.Wineland等美国国家标准与技术研究所理论构建Phys.Soc1978 4王育竹上海光机所提出假说科学通报1980 5王育竹上海光机所提出假说中国激光1981 6Steven Chu等斯坦福大学实验验证Phys.Rev.Lett19847W.D.Phillips等美国国家标准与技术研究所实验验证Progress in QuantumElectronics19848王义遒北京大学提出假说波谱学杂志1988 5Steven Chu等斯坦福大学实验验证mum1989 9Dalibard等巴黎高等师范学院理论构建J.opt.soc.am.b1989 1975 1985年间国外研究单位,特别是斯坦福大学物理系完成了科学研究中所必需的提出假设㊁形成理论㊁实验重复验证的闭环,其研究时间持续长,合作单位众多,包括位于美国新泽西州的贝尔实验室㊁巴黎高等师范学院等顶尖科研单位,激光冷却原子领域中重要技术名词如多普勒机制(The Doppler mechanism)㊁光学黏团(molasses)㊁MOT(Magneto-tptical trap)技术等名词都均是由斯坦福大学研究团队首次提出,并得到了学术共同体的广泛认可㊂再如美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,简称NIST)激光冷却和捕获研究小组1991年以前就在Physical Review Letters㊁Nature㊁Sci-ence等顶尖刊物的发文数量累计已超过25篇㊂中国科学家王育竹㊁王义遒等人关注激光冷却原子这一新兴领域的时间并不比国外晚,甚至提出一些基本物理思想的时间比国外还早近10年,但支撑他们投入激光冷却原子研究的单位只局限于上海光机所㊁北京大学等少数几个单位,国内激光冷却研究单位从论文数011㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)量㊁论文发表的刊物级别㊁研究工作量来说和斯坦福大学等顶尖研究团队存在不小的差距㊂为进一步对比王育竹的激光冷却原子研究工作与国外同类成果,须将研究时段拉长,并且对研究内容及新物理现象的实验验证工作进行详细分析㊂三 提出突破多普勒极限的新机制1.理论设想一般认为王育竹提出的低于多普勒极限的新机制没有得到广泛关注有几个原因:(1)发表阵地,20世纪80年代的中国虽然已改革开放,但由于此前长期处于闭塞状态,导致中国科学家与国外学术界交流并不多,即使有一流的成果也难以被国际一流学者认可①,王育竹等人的早期成果又发表在中文期刊上,因此很难在国际学术界产生影响;(2)20世纪80年代国内对外学术交流渠道不通畅,获得顶尖专家的指导机会少[5]㊂不可否认这都是十分重要的客观因素,但将中国早期激光冷却研究工作没有获得足够影响力的原因完全归咎于以上两点,未免有以偏概全之嫌㊂因此笔者根据新发掘史料,对王育竹的早期激光冷却原子研究工作进行重新解读㊂1979年,正逢诺贝尔物理学奖得主肖洛(A.schawlow)访问上海光机所,访问期间王育竹向肖洛介绍了他关于激光冷却的物理思想,并将相关论文寄给肖洛审阅㊂肖洛归国后阅读了王育竹关于 利用交流斯坦克效应(光频移效应)激光冷却气体原子 一文后,他给王育竹写信说道: 这个思想是新的㊁合理的,表达是直接清晰的,建议迅速发表 ,来信原文如下:Dear Professor Wang :I must apologize for being so slow in answering your letter of February 12.Things have been very busy here and ,even now ,I have not been able to find the time to give your fascinating paper the careful study it deserves.The idea is novel and seems quite reasonable.The presentation seems clear and direct ,and as far as I can tell ,it would be appropriate to publish the paper in 111钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①笔者认为学界里流传的 1980年代中国学者缺少在国际一流学术刊物发表论文的机会 这一说法并不准确,该说法仅限于部分新兴研究领域,并不能推而广之㊂研究开启的时间早晚与后续研究工作的实际进展并无强关联关系,因此不能说是中国学者缺少在国际一流学术期刊发表论文的机会,而可能是还未到发表在国际一流学术刊物的时机㊂the form that you sent me.However,it would be nice if there were some quantita-tive estimates of possible laser powers and the corresponding cooline achiwvable. For instance,when we were preparing our paper,it appeared that available con-tinuous-wave lasers would produce only a little cooling unless a very large volume could be illuminated.Otherwise the atoms,moving at about100km per second, would move out of the illuminated regionbefore appreciable cooling would be a-chieved,But,even if you do not make any additions,I hope that your article will soon te submitted and publish.①来信中肖洛教授也指出现有研究存在的问题 对激光功率及其所对应可以实现的冷却效果缺乏定量化的研究,若原子以100km/s的速度逃出激光照射区域,将无法达到理想的冷却效果㊂此外,据王育竹回忆: 在1980年的国际激光会议上海分会场上,一位国外科学家也不认同交流斯塔克机制,认为在电容器中的原子,加上电压会使原子能级移动,无法冷却原子㊂ [14]虽然这个说法后面被证实有误,但从侧面反映1979年王育竹提出的新机制尚需要实验进一步验证,王育竹本人对此也有回应:(1)这两篇东西(指的是积分球冷却方案和交流斯塔克效应冷却方案)是在十三年前(1977年)开始搞激光冷却时写的东西㊂一篇在1979年成都光频标方案论证会上报告过,一篇未发表㊂由于当时尚无激光冷却方面的理论文章,所以我的两篇文章中没有系统的分析㊂(2)文章中提出了三种冷却方式的基本物理机制,即 利用积分球激光冷却原子束 非球面聚焦镜激光冷却 和 利用序列重复脉冲冷却原子束 它正是世界当前所谓的 Diffusion light cooling 和 White Light cooling 希望大家 把这两个基本思想做深入㊁做系统,做出有中国特色的冷却工作㊂②这证明王育竹在1979年提出的激光冷却新机制并非未被当时国际顶尖科学家注意,而其成果未能引起足够影响的原因可能在于其研究尚处于起步阶段,相关猜想或假设未经严谨的理论推导和数值估算,有效的实验验证工作也未能及时组织起来㊂作为一名严谨的实验物理学家,王育竹很清楚现有研究存在的不足,于是完成激光冷却原子方面的验证实验成为下一步研究工作中的重中之重㊂211㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)①②王育竹与肖洛教授的通信往来,1980年3月20日,存于中国科学院上海光机所王育竹办公室㊂王育竹科研说明手稿,1991年8月16日,存于中国科学院上海光机所王育竹办公室㊂2.实验验证1979年,王育竹赴日本东京大学短期交流,在东京大学分子光谱实验室,他与清水富士夫教授合作开展了多光束偏转钠原子束实验,实验方案如图3所示:通过特定实验装置使得激光入射方向垂直于原子束飞行方向,当激光频率与原子跃迁频率共振时,可以观察到偏转原子束的荧光在空间跳动,这显示了光压力的作用[3]㊂该实验结果证明了辐射光压用于激光冷却气体原子的可行性㊂%%图3.多光束偏转原子实验方案图图片来源:‘物理“2011年第7期第424页时隔多年,王育竹对在日本短暂的访问之旅仍记忆犹新,他回忆道: 这个实验结果(指在东京大学开展的多光束偏转原子实验)使我十分振奋㊂它证明了激光气体原子技术的可行性,这是世界上最早用激光观察到的光压力作用的实验结果之一! ①王育竹于1984年与同事在上海光机所组建成中国第一个激光冷却气体实验室(后改名中国科学院量子光学开放实验室),改进了传统原子束装置中探测束流强度的方法㊂利用照相机和一维二极管列阵组成一维荧光探测器,记录了原子束荧光的空间分布,获得了信噪比最佳的实验结果㊂还利用激光偏转原子束的方法第一次测量了热原子束的速度分布,从某种意义来说该项研究是1979年在东京大学实验工作的进一步延续和改进[15]㊂1987年,王育竹团队进行了钠原子束一维激光冷却实验,率先观察到了低于多普勒冷却极限的物理现象,与美国国家标准局(United States National Bureau 311钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①王育竹‘我的科研自述“,2012年2月,内部资料㊂of Standards,简称NBS)研究小组①成为了世界上最早观察到此现象的两个小组之一㊂其实验方案是使钠原子束垂直通过一维偏振激光驻波场,沿驻波场轴线进入直流磁场,用一维CCD照相机探测原子束荧光空间分布②㊂当调谐激光频率对原子共振的失谐量时,观察到了激光对原子束横向一线冷却和加热现象㊂在论文中王育竹总结了其研究工作:(1)该项研究是利用迟滞偶极力对原子束进行的一维准直实验研究;(2)获得了原子横向速度从50cm/s降低到15cm/s的结果,这相当于有效横向温度从350降低到33μk;(3)原子束的良好准直可以通过具有较大正偏谐的强驻波场来实现;(4)从原理上来说,使用一对垂直驻波场对原子束进行二维准直并不困难㊂[16]对于已取得的实验结果,王育竹最先投稿到‘物理评论快报“上,但评审专家认为文章理论与实验结果不符,因为当时国际上仅有两能级原子的冷却理论,但它不能解释低于多普勒冷却极限温度的实验结果㊂王育竹自述曾想利用 交流斯塔克效应激光冷却气体原子 来解释实验结果,但最终由于信心不足而放弃㊂而在此时美国标准与技术局㊁斯坦福大学研究团队也早早注意到该现象,在朱棣文1989年发表的论文中就明确提出两能级原子的能级的冷却理论并不适用钠㊁钙等原子,在他的研究当中综合使用了计算机程序模拟㊁数值求解㊁实验等多重方法和证据证明了低于多普勒极限现象的存在,从论文结论来看,王育竹等虽然观察到了反常物理现象的存在,但论文最终落点在对实验方法的改进和实验结果的观察上,没有对冷却温度过低这一反常实验结果继续探究,更遑论突破原有理论框架;而朱棣文等人成功的关键在于大胆否定了原多普勒理论中的两个假设(即原子的两能级性质和光场具有纯极化状态的假设),通过大量精确实验的测量,以及多种理论分析手段,发展出了一套与最终实验结果相适应的理论体系,这是完成亚多普勒冷却体系(Sub-Doppler)中的关键一步[17 19]㊂411㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)①②1988年8月,美国国家标准局(NBS)更名为美国国家标准与技术研究院(National Institute of Stand-ards and Technology,简称 NIST )㊂CCD即Charge coupled Device,中文全称 电荷耦合元件,是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号㊂四 站在国际学术舞台上在激光冷却气体原子的研究过程中,王育竹及上海光机所的研究工作受到了不少国际同行的关注,他多次代表上海光机所在国际激光光谱会议㊁国际量子电子会议(IQEC)(图4)①㊁国际量子学与激光科学会议(QELS)作学术报告,他被推选担任国际激光光谱会议指导委员会成员㊁1992年国际量子电子学会议(EQEC)的共主席,国际第十三次原子物理会议顾问(图4)②㊁国际物理联盟(IUPUP)量子电子专业委员会成员㊁德国马普学量子光学国际顾问委员会成员等多个重要学术职务㊂1999年他还成功当选了瑞典皇家工程科学院外籍院士和国际理论物理中心高级合作成员㊂图4.部分王育竹参与国际学术交流材料图1989 1990年间,王育竹受李政道先生邀请成为新成立的中国高等科学技术中心(CCAST)特别委员,他利用CCAST 的优越实验条件开展研究并获得中心的经费资助㊂但在1989年7月24日,王育竹收到到来自李政道先生的来信,来511钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①②IQEC 邀请函,1994年5月10日,原件由王育竹院士办公室提供㊂王育竹当选国际原子物理会议顾问书面通知书,1994年3月17日,原件由王育竹院士办公室提供㊂信称: 中心因受意大利政府对中国政府的制裁影响,所有新批示资金全被冻结㊂ ①因此王育竹预想开展的激光冷却实验也就只能作罢㊂对于王育竹与国外科学家的交往情况,现任中国科学院量子光学重点实验室主任刘亮表示: 在我与王先生(指王育竹)的长期交往当中发现王先生的工作得到了国外科学家的普遍尊敬,比如提出交流斯塔克效应的新机制就得到了国外同行的普遍认可,在同国外科学家特别是美国㊁法国㊁德国科学家的学术对话中,王先生能够十分自如㊁从容地介绍自己的工作,他们之间的交流基本都是平等愉快的㊂ ②1994年7月4日王育竹参加了澳大利亚举办的第六届亚太物理会议,参加会议的主要国家和地区包括美国㊁日本㊁新加坡㊁韩国,中国台湾地区㊁中国香港等,大会提交了600多篇论文,各类分会场口头报告达400多场,其中王育竹受邀在大会上作题为 原子光学中的激光冷却和准直原子束 的主题报告,参会学者中还有不少介绍了本国(或地区)量子光学研究发展情况㊂在这一次与国外量子光学领域学者的直接对话中,王育竹深深感受到了亚太地区与美国㊁法国等量子光学领域强国的差距,据王育竹回忆: 亚太地区在量子光学和原子光学的研究水平远不及美国㊁法国,但亚太地区从事中国领域研究的人在增多,研究工作涉及的面很广,其中日本㊁澳大利亚㊁中国的水平较高㊂ ③会议结束后王育竹还访问了澳大利亚昆士兰大学㊁澳大利亚国立大学㊁堪培拉大学等几所大学的物理系㊁信息科学系,并同澳大利亚的几位著名物理学家建立了友好联系㊂结束访问后,王育竹在归国报告中写到: 我国在量子光学和原子光学的研究早已开展,但进展缓慢㊂量子光学研究多为理论计算和理论分析,而这些理论工作都远离实际工作,也远离国际的发展前沿 激光控制原子运动的研究仅在上海光机所和北京大学进行㊂上海光机所已工作十年,在激光偏转原子束㊁亚泊松光子统计验证㊁原子束一维冷却做出了一些有意义的工作 而不能进行三维冷却工作㊂ ④这也从侧面证实了正是在高水平的国际学术交流中,王育竹认识到了20世纪80 90年代间中国激光冷却原子研究工作遇到的瓶颈 很多研究工作只能停留在理论计算㊁分析上,而理论推导㊁计算又与实验工作严①②③④原文为 as you may know,CCAST-World Laboratory funding originates from the Italian Government.Since the end of last month,economic sanctions have been imposed by Italy against China.As a result,the funds for all new CCAST appointments have been frozen ㊂魏荣研究员访谈刘亮研究员,2023年4月14日,上海光机所㊂王育竹参加第六届亚太物理会议纪要,1994年8月20日,内部资料㊂王育竹访问澳大利亚几所大学报告,1994年8月20日,内部资料㊂。
1997年诺贝尔物理学奖激光冷却和陷俘原子
·1997年诺贝尔物理学奖——激光冷却和陷俘原子朱棣文科恩－塔诺季菲利普斯1997年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的朱棣文（Stephen Chu，1948—），法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩－塔诺季（Claude Cohen －Tannoudji，1933—）和美国国家标准技术院的菲利普斯（William D.Phillips，1948—），以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。
激光冷却和陷俘原子的研究，是当代物理学的热门课题，十几年来成果不断涌现，前景激动人心，形成了分子和原子物理学的一个重要突破口。
操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标。
固体和液体中的原子处于密集状态之中，分子和原子相互间靠得很近，联系难以隔绝，气体分子或原子则不断地在作无规乱运动，即使在室温下空气中的原子分子的速率也达到几百m/s。
在这种快速运动的状态下，即使有仪器能直接进行观察，它们也会很快地就从视场中消失，因此难以对它们进行研究。
降低其温度，可以使它们的速率减小；但是问题在于：气体一经冷却，它就会先凝聚为液体，再冻结成固体。
如果是在真空中冷冻，其密度就可以保持足够地低，避免凝聚和冻结。
但即使低到－270℃，还会有速率达到几十m/s的分子原子，因为分子原子的速率是按一定的规律分布的。
接近绝对零度（－273℃以下）时，速率才会大为降低。
当温度低到10-6K，即1微开（μK）时，自由氢原子预计将以低于25cm/s的速率运动。
可是怎样才能达到这样低的温度呢？朱棣文、科恩－塔诺季、菲利普斯以及其他许多物理学家开发了用激光把气体冷却到微开温度范围的各种方法，并且把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中。
在这里面，个别原子可以以极高的精确度得到研究，从而确定它们的内部结构。
当在同一体积中陷俘越来越多的原子时，就组成了稀薄气体，可以详细研究其特性。
这几位诺贝尔奖获得者所创造的这些新研究方法，为扩大我们对辐射和物质之间相互作用的知识作出了重要贡献。
89原子的激光冷却与囚禁讲解
多普勒冷却原理
1 v c 0
4、原子冷却与囚禁的意义
原子参数和物理常数的精密测量
玻色—爱因斯坦凝聚态
原子激光 其他应用
3.总结
激光对原子的冷却及囚禁是上世纪末科学界一项重
要成就，无论基础研究和实际应用都取得重要进展。
4.作业思考题
1）激光为什么能使原子变冷？
2）激光冷冻原子有什么重要应用？
引
言
光学粘胶法 激光冷却原理
1、引
言19Biblioteka 7年诺贝尔物理学奖 朱棣文（S.Chu）——美国斯坦福大学 克罗德·科恩-塔努吉（C.CohenTannoudji）——法国巴 黎高师
威廉·菲利普斯（W.D.Phillips）——美国国家标准与 技术研究所
2、光学粘胶法
1985年朱氏用三对彼此正交的激光束汇于一局域，让预 冷却了的原子进入该小区域，以使这些原子进一步被冷却， 温度从100mk降至240μ k，不久，该项纪录被Phillips为首的 研究组打破，温度降至20μ k。类似的结果在銫原子实验中也 得到了证实。该结果使Cohen-Tannoudji和朱棣文分别独立提 出了多能级非缓变跃迁的亚多普勒冷却理论——多种冷却 （超冷原子）方案与理论层出不穷——冷却温度打破了光子 反冲极限——pk量级——各种囚禁原子的激光阱实验与理论 活跃 磁光阱（MOT）的诞生最有意义——Wieman小组使MOT能 在普通蒸汽室中形成——实验装置大为简化，一般实验室也 可进行
原子的激光冷却与囚禁
课程名称：激光原理与技术 主讲人：李永大 单位：浙江工贸职业技术学院
原子的激光冷却与囚禁
1.教学目标
了解激光应用的前沿领域。
2.学习内容
玻色-爱因斯坦凝聚评述
2001年10月9日瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国国家标准与技术研究所物理学家埃里克·康奈尔(E.A.Cornell)、美国麻省理工学院教授德国人沃尔夫冈·克特勒(W.Ketterle)以及美国科罗拉多大学教授卡尔·威曼(C. E. Wieman)，以表彰他们在稀薄碱金属原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚以及在凝聚体性质方面的早期基础性研究。
本文将介绍玻色－爱因斯坦凝聚的研究简史以及三位获奖者的主要贡献。
玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史1924年印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题，他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。
玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国发表。
爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。
爱因斯坦于1924和1925年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚(Bose－Einstein Condensation，BEC)，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。
从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。
玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色－爱因斯坦统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。
然而，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米－狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。
费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一个态。
利用这一点可以解释元素周期表。
费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。
而玻色子的情况则相反，一个量子态上可以有任意多个粒子占据着。
微观粒子究竟属于哪一类是由其自旋决定的，自旋为整数的如光子、胶子等是玻色子，而为半整数的如电子、夸克等则是费米子。
40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统
40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统1卫栋，陈海霞，熊德智，张靖†量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学光电所，太原 （030006）E-mail：jzhang74@摘 要: 本文对40K-87Rb原子冷却的半导体激光系统进行了实验研究。
采用三台外腔光栅反馈半导体激光器、四台注入锁定激光器和一台半导体激光放大器组成激光系统，三台外腔光栅反馈半导体激光器通过声光调制器产生四束光，分别作为40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光，四束不同频率成份的激光分别注入锁定四台从激光器，然后Rb cooling光、K cooling 光和K repump光再同时注入半导体激光放大器进行放大。
该装置可同时产生冷却40K和87Rb原子的冷却光和再抽运光，结构紧凑，工作稳定。
关键词：简并费米气体， 激光器系统，外腔光栅反馈半导体激光器（ECDL），半导体激光放大器（TA），注入锁定近年来对费米气体和玻色-费米混合气体的实验与理论研究引起了人们极大的兴趣，为研究高温超导的产生、强相互作用等物理机理提供了一个理想的实验研究平台。
费米子与玻色子具有不同的量子统计特性，由于受泡利不相容原理的限制，处于同一个量子态的费米子在温度很低时s－波碰撞被禁止，蒸发冷却不能有效进行，费米气体因此无法达到量子简并。
为了克服这一困难，得到简并费米气体，目前主要有两种方案。
一是囚禁费米子的不同自旋态，尽管处于同一自旋态的费米子之间的s－波碰撞是禁止的，但是处于不同自旋态的费米子却可以相互发生碰撞，如选用40K原子的<9/2,7/2> 和<9/2,9/2>[1]；二是同时囚禁玻色与费米气体，采用玻色子作为中介，在蒸发冷却阶段，通过玻色子与费米子之间的相互碰撞可以将费米子冷却到量子简并，这种方法称为Sympathetic cooling，成为冷却费米气体中使用较多的方法。
人们已先后在40K和87Rb[2], 6Li和7Li[3-5]，6Li和23Na[6]，6Li和87Rb[7]等系统中实现了费米气体简并。
近代物理创新实验报告(3篇)
第1篇一、实验背景随着科技的不断发展，物理学领域的研究也在不断深入。
近代物理实验作为物理学研究的重要手段，对于培养科学精神和创新意识具有重要意义。
为了进一步提高实验教学质量，激发学生的学习兴趣，我们设计了一项近代物理创新实验，旨在探究光子与电子的相互作用，为光电子学领域的研究提供新的思路。
二、实验目的1. 了解光子与电子相互作用的原理和实验方法；2. 通过实验验证康普顿效应，探究光子与电子的散射过程；3. 分析实验数据，总结实验规律，为光电子学领域的研究提供参考。
三、实验原理康普顿效应是指当高能光子（如X射线）与物质中的自由电子发生碰撞时，光子会被散射，同时其波长发生变化的现象。
康普顿效应揭示了光子与电子的相互作用规律，为量子力学的发展奠定了基础。
实验原理如下：1. 当入射光子与电子发生碰撞时，光子将部分能量传递给电子，使其获得动能；2. 由于能量守恒和动量守恒，光子波长发生变化，即发生散射；3. 通过测量散射光子的波长，可以验证康普顿效应，并探究光子与电子的相互作用。
四、实验仪器与材料1. 激光器：用于产生高能光子；2. 电子靶：由自由电子组成的靶材料；3. 检测器：用于测量散射光子的波长；4. 光谱仪：用于分析散射光子的波长；5. 计算机软件：用于数据处理和分析。
五、实验步骤1. 将激光器、电子靶和检测器依次连接，搭建实验装置；2. 设置激光器的参数，调整电子靶与检测器之间的距离；3. 启动激光器，使光子与电子靶中的自由电子发生碰撞；4. 检测器接收散射光子，通过光谱仪分析散射光子的波长；5. 记录散射光子的波长数据，并进行数据处理和分析。
六、实验结果与分析1. 实验结果显示，散射光子的波长与入射光子的波长之间存在差异，符合康普顿效应的规律；2. 通过对实验数据进行拟合，可以得到散射光子波长的变化量与入射光子能量的关系；3. 分析实验结果，可以得出以下结论：（1）光子与电子的相互作用符合康普顿效应的规律；（2）散射光子的波长变化量与入射光子能量之间存在线性关系；（3）实验结果与理论预期相符，验证了康普顿效应的正确性。
原子分子光学
1原子分子光学——基本概念、原理及其最新进展2内容一、引言二、原子的激光冷却三、原子囚禁六、分子光学的探索四、原子BEC五、应用原子光学3一、引言学习过的光学课：普通物理（光学部分）、非线性光学、量子光学、信息光学……光具有波粒二相性：粒子性和波动性光束传播的三大定律：直线传播定律、反射定律和折射定律光的衍射和干涉现象光在晶体中的传播，光与物质的相互作用激光具有：单色性、方向性和相干性光学相干性，相干态……光子光学：一门研究光的物理本性、光的传播规律和光和物质相互作用及其应用的传统学科。
45所谓“原子光学”, 类似于光子光学，电子光学, 中子光学和离子光学等的定义。
“原子光学”是研究中性原子与电场、磁场和光场等物质相互作用及其冷却、囚禁、操控与应用的一门新兴学科。
杨氏双缝干涉条纹冷原子物质波干涉条纹7（2）在光子光学中, 采用光学反射镜即可实现光的反射, 采用光纤或中空光纤即可实现光的波导。
由于原子与介质表面相互作用时存在着范德瓦尔斯吸引势, 无法直接采用光学反射镜来有效反射原子束, 也无法直接利用中空光纤来有效导引原子,而必须采用具有蓝失谐消逝波光场的光学棱镜或平面镜来有效反射原子束, 或采用具有蓝失谐消逝波光场的中空光纤来有效导引原子。
为了有效地操纵与控制中性原子的运动,必须首先对热原子进行激光冷却,大大降低原子运动的平动动能(即原子温度),使原子运动的动能远低于偶极相互作用势能,并有效增加原子运动的波动性以便研究冷原子的反射、衍射和干涉等波粒二象性。
显然,在光子运动的操纵与控制中,直接采用相应的光学器件即可实现,而无需对光子进行冷却。
这是原子光学与光子光学最显著的不同之处。
8（3）光束在真空中传播时所有光子的运动速度均为3×108m/s ，因而不存在光子运动速度的分布。
原子束中原子通常其纵向平均速度约为5 m/s ~ 500 m/s ，甚至更低（如原子激光束）；而且原子束中每一个原子的运动速度是不相同的，存在着一个纵向速度分布（即纵向温度）；除了上述纵向平均速度及其分布外，原子束还具有横向平均速度及其横向速度分布（即横向温度）。
原子与分子的量子力学研究
原子与分子的量子力学研究量子力学是现代物理学的重要分支之一，它研究了微观世界中的粒子和能量的行为。
在量子力学中，原子和分子是研究的重点对象。
本文将探讨原子与分子的量子力学研究，从历史背景、基本概念和实验方法三个方面展开讨论。
1. 历史背景量子力学的发展与原子理论的演进息息相关。
早在19世纪末，物理学家通过研究光谱现象发现了原子内部的离散能级，但直到20世纪初，这个现象才被德国物理学家普朗克解释为能量量子化的结果。
随后，爱因斯坦和玻尔等学者提出了原子与分子的量子力学描述模型，为后续的研究奠定了基础。
2. 基本概念2.1 波粒二象性量子力学中的粒子既可以表现为粒子性，又可以表现为波动性。
这一思想由德布罗意提出，并在实验中得到验证。
原子和分子同样具有波粒二象性，其运动状态可以用波函数描述，其中蕴含了粒子的概率分布信息。
2.2 波函数和薛定谔方程波函数是描述量子体系的核心概念，它包含了粒子的所有信息。
薛定谔方程是描述波函数随时间演化的基本方程，通过求解薛定谔方程，可以确定粒子的能量、位置和动量等物理性质。
2.3 能级和能量在量子力学中，原子和分子的能量是离散的，它们存在着不同的能级。
这与经典物理学中连续的能量观念形成了鲜明的对比。
通过计算原子和分子的能级，可以预测它们的光谱现象和电子结构等特性。
3. 实验方法3.1 光谱学方法光谱学是研究原子和分子结构、能级和相互作用的重要实验手段。
通过测量样品在不同波长或频率下的吸收、发射或散射谱线，可以获取有关粒子能级和电子状态的信息，进而深入了解和研究原子与分子的量子性质。
3.2 量子态制备与测量方法量子态制备和测量是量子力学研究的关键环节。
通过准确控制和测量原子或分子的量子态，可以研究它们的相干性、纠缠性和变换规律。
常用的方法包括激光冷却和捕获、原子束实验以及量子态测量技术等。
4. 应用前景原子与分子的量子力学研究在理论物理、化学和材料科学等领域具有重要应用前景。
冷原子技术探索量子物理的极限
冷原子技术探索量子物理的极限冷原子技术是一种近年来备受关注的物理研究领域，它将量子物理学的研究推向了一个新的高度。
通过降低原子的温度，使其接近绝对零度，冷原子技术为我们探索量子物理的极限提供了新的途径和实验手段。
本文将介绍冷原子技术的基本原理、应用领域以及在量子物理研究中的重要进展。
一、冷原子技术的基本原理冷原子技术的基本原理是利用激光和磁场对原子进行强迫冷却，使其温度接近绝对零度。
冷却原子的方法主要包括“光致冷却”和“磁致冷却”。
光致冷却是利用激光的辐射压力把原子从高能级状态冷却到低能级状态，实现原子的冷却。
磁致冷却则是通过磁场的作用将原子限制在一个特定的区域，在这个区域内通过调节磁场的强度使原子的熵降低，从而实现原子的冷却。
冷却原子后，我们可以通过进一步的操控来研究原子的量子行为。
二、冷原子技术的应用领域冷原子技术在很多领域都有广泛的应用。
首先，在量子信息处理方面，冷原子技术可以用来制备量子比特，并进行量子计算和量子通信的研究。
通过将原子束缚在特定的光学场和磁场中，可以实现对原子的精确控制，从而构建出高效且稳定的量子比特。
其次，在凝聚态物理学中，冷原子技术可以模拟出量子多体系统，帮助我们理解和研究固体材料的性质和行为。
此外，冷原子技术还在原子物理学、光物理学、粒子物理学等领域有广泛的应用，为研究者提供了一个开放的实验平台。
三、冷原子技术在量子物理研究中的进展冷原子技术在量子物理研究中取得了一系列重要的进展。
首先，通过冷原子技术，科学家们实现了玻色-爱因斯坦凝聚态的研究。
玻色-爱因斯坦凝聚态是一种具有特殊量子性质的物质状态，通过冷却原子，使原子的密度达到一定程度，可以实现玻色-爱因斯坦凝聚态的形成。
其次，冷原子技术也被应用于制备超冷分子。
超冷分子是一种冷却到极低温度的分子态，具有很强的凝聚性和相干性，可以用来研究分子的量子行为以及化学反应的量子效应。
最后，冷原子技术还帮助科学家们实现了原子钟的高精度控制，提高了时间测量的精度和稳定性。
离子型光钟
离子型光钟离子型光钟是一种利用离子阱技术将单个离子囚禁在微米尺度的空间内，并通过激光冷却和精确控制离子的运动状态和能级结构，从而构建的高精度光学钟。
与传统的原子钟相比，离子型光钟具有更高的精度和稳定性，是目前最精确的物理测量仪器之一。
一、离子阱技术和离子囚禁离子阱技术是离子型光钟的核心技术之一。
在离子阱中，单个离子被囚禁在一个微米尺度的空间内，形成所谓的“离子阱”。
这个过程是通过使用高频电场和激光冷却来实现的。
通过精确控制电场和激光的参数，可以控制离子的运动状态和能级结构。
二、激光冷却和能级结构控制为了实现高精度的时间测量，需要将离子的运动状态和能级结构进行精确控制。
其中，激光冷却技术是关键之一。
通过使用特定波长的激光，可以将离子冷却到接近绝对零度的温度，从而实现离子的量子态控制。
此外，通过精确控制激光的频率和强度，可以实现对离子能级结构的精确调控。
这包括将离子的基态分裂成多个能级，以及将离子的激发态进行精细结构调整。
这些操作可以使得离子的光学跃迁频率受到精确的控制。
三、测量精度和稳定性离子型光钟的精度和稳定性主要取决于离子的能级结构和跃迁频率的测量精度。
通过使用先进的激光技术和电子测量技术，可以实现对离子能级结构和跃迁频率的高精度测量。
此外，通过使用量子力学原理和算法，可以对测量结果进行误差分析和修正，进一步提高测量精度。
四、应用前景离子型光钟具有广泛的应用前景。
首先，它可以用于高精度的时间测量和时间传递，为全球卫星导航系统、通信系统等提供更准确的时间基准。
其次，离子型光钟可以用于基本物理常数的高精度测量，有助于检验基本物理理论。
此外，离子型光钟还可以用于研究量子力学的基本问题，例如量子纠缠和量子计算等。
同时，离子型光钟还可以用于生物学和医学领域的研究，例如生物节律和药物作用机制等。
总之，离子型光钟是一种高精度、高稳定性的光学钟，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和应用领域的拓展，离子型光钟将会在未来发挥更加重要的作用。
原子频标物理与技术基础
项目名称：原子频标物理与技术基础首席科学家：高克林中国科学院武汉物理与数学研究所起止年限：2005.12至2010.11依托部门：中国科学院一、研究内容决定原子频标的准确度和稳定度的因素主要是谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境的影响。
而影响原子谱线精确度的根源，在于环境对原子能级的干扰以及与原子分子运动有关的各种效应，而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。
与环境隔离（离子阱）或将原子冷却（冷原子）就是主要的手段。
而随着频率稳定度提高，在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来，如多体碰撞效应、Dick 效应、量子噪声、相对论效应等。
目前在此领域主要探索的问题是：寻找具备超窄谱线的新原子体系，激光冷却与操控原子新的物理机制与方法，各种影响新一代原子频标准确度的物理起源，极端条件下不同物理起源的噪声理论，冷原子碰撞的物理研究及其对频标的影响，用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理等。
本项目拟解决的关键科学问题是：有效的冷原子（离子）的制备和控制方法；碱土金属原子和奇同位素离子的光频标机理；超冷原子实现频标的探索；新颖的冷原子相干布居囚禁频标的实现；影响原子喷泉频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径；新原理和新方法用于提高实用原子频标精确度的可能性；微重力环境下的空间冷原子频标特性。
本项目的重要研究内容为：（1）新型原子频标的物理基础：针对冷原子和冷离子频标，研究掌握实现原子和离子的有效冷却和提高冷原子密度的方法，研究利用光学势阱囚禁原子的方法，冷碱土金属原子双光子跃迁和奇同位素离子的超精细结构研究，探索减少线宽和提高信噪比的物理途径，以及减小频移方案，准确度评定中频率不确定度的精确表述和测量。
由此，探索利用碱土金属原子和奇同位素离子以及超冷原子形成高精度新颖频标工作物质的可能性。
（2）实用原子频标的新方法与新技术：分析影响原子喷泉频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径；研究连续原子喷泉，进一步提高铯喷泉的稳定性。
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三能级原子激光冷却、囚禁与操控的理论研究
【摘要】：在过去的二十年中，中性原子的激光冷却、囚禁与操控的理论与实验研究得到了快速的发展。
本文首先综述了中性原子的激光导引、囚禁与冷却研究的发展概况及其玻色—爱因斯坦凝聚实验的进展；其次，就“三能级原子的激光冷却、囚禁与操控”进行了深入系统的理论研究；最后，就本文的研究工作进行了总结，并就本课题的未来研究进行了展望。
本文利用缀饰原子方法，得到了Λ型三能级原子与激光场相互作用的一般解析解，它包括本征值、本征态和光学势等。
对~(87)Rb原子，当光强I＜2.5×10~6W／m~2时，本文得到的一般解析解对任意失谐都成立，它是到目前为止最精确的解析表达式。
在小饱和参数近似下，这些一般解析解可简化为一些文献中的近似表达式。
我们的研究发现缀饰三能级原子的光学势和偶极力具有一对失谐非共振峰，自发辐射率具有一对失谐共振峰。
我们还发现自发辐射率和耗散力在小失谐条件下具有强度饱和效应。
利用有效摩擦系数，我们发现偶极梯度力可用于实现三能级原子的蓝失谐激光Sisyphus 冷却。
本文利用基于原子密度矩阵的光学布拉赫方程得到了Λ型三能级原子在单频率光场中所受平均耗散力和偶极力的一般解析表达式。
我们发现三能级原子的平均耗散力具有频率共振特性(有两个共振峰)，而三能级原子的平均偶极力具有频率非共振特性(有两个非共振峰)。
在大失谐近似下，平均耗散力和偶极力的表达式都可以简化为由二能级原子得到的表达式。
两相对传输的高阶贝塞耳光束可以分
别在轴向和弧向形成一维光学粘胶，从而实现原子在轴向和弧向的多普勒冷却。
弧向多普勒冷却可看作是轴向多普勒冷却的一个补充，并且轨道角动量量子数越大或原子运动的平均径向距离越小，弧向多普勒冷却效果越明显。
本文提出了一种采用空心金属波导中蓝失谐TE_(01)模实现冷原子(或分子)激光导引的方案。
TE_(01)模是一种环状的空心模式，条件匹配时，其最大耦合效率可以达到96.7％。
当输入激光功率为0.5mW，失谐为3GHz时，原子直线导引效率可达到98％。
对较小的曲率半径，只要入射激光功率足够大，原子导引效率也可以达到一个很大的值。
在TE_(01)模中，导引原子的背景热碰撞损失、自发辐射加热和非绝热跃迁损失都可以忽略不计。
本文还讨论了超冷原子在空心金属波导TE_(01)模中的量子运动及相干传输等问题。
当入射角θ＜5°时，并且当BEC原子【关键词】：三能级原子缀饰原子法密度矩阵法光学布拉赫方程空心金属波导TE_(01)模量子运动相干传输弱驻波场原子囚禁原子导引强度梯度冷却自发辐射量子干涉
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O431.2
【目录】：论文摘要5-7英文摘要7-12第一章中性原子激光导引、囚禁与冷却的研究及其玻色-爱因斯坦凝聚实验进展12-431.1引言12-131.2中性原子的激光导引13-181.3中性原子的激光囚禁18-211.4原子激光冷却及最新进展21-291.5玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)的实验研究及其最新进展29-39参考文献39-43第二章三能级缀饰原子系统的一般解析解43-762.1引言432.2三能级缀饰原子系统的一般解析解：本征值、光学势与本值态43-552.3三能级缀饰原子的自发辐射率、辐射压力和动量扩散张量55-632.4三能级缀饰原子偶极力和动量扩散系数63-682.5三能级缀饰~(85)Rb原子在暗空心光束(DHB)中的运动68-732.6本章小结73-74参考文献74-76第三章三能级原子的平均耗散力和偶极力—密度矩阵方法76-943.1引言76-773.2三能级原子的平均耗散力和偶极力77-813.3在高阶贝塞耳光束中平均耗散力和偶极力的一般特性81-903.4轨道角动量对多普勒冷却极限的影响90-923.5本章小结92-93参考文献93-94第四章采用空心金属波导中TE_(01)模实现冷原子的激光导引94-1164.1引言94-954.2采用空心金属波导中TE_(01)模实现原子导引的方案95-964.3空心金属波导中相关模式的场分布与光强分布96-994.4空心金属波导的模式耦合效率和传输损失99-1044.5TE_(01)模中原子的光学囚禁势和自发辐射速率104-1064.6空心金属波导中冷原子直线和弯曲导引的效率106-1114.7空心金属波导中原子导引的潜在应用111-1134.8本章小结113-114参考文献114-116第五章空心金属波导中超冷原子的量子运动和相干传输116-1325.1引言116-1175.2采用空心金属波导实现超冷原子导引的
方案117-1185.3超冷原子在空心金属波导中的量子运动118-1265.4超冷原子物质波在空心金属波导中的相干传输126-1285.5本章小结128-130参考文献130-132第六章采用蓝失谐空心光束的弱驻波场实现原子的激光冷却、囚禁与导引132-1506.1引言1326.2原子囚禁方案及弱驻波场强度与强度梯度分布132-1376.3原子在弱驻波场中的光学势和瞬时偶极力137-1396.4原子的强度梯度冷却和Monte-Carlo 模拟139-1456.5弱驻波空心光束中的原子导引145-1476.6本章小结147-149参考文献149-150第七章被囚禁三能级原子的自发辐射150-1667.1引言1507.2系统动力学方程的求解150-1567.3一阶几率和几率谱的特性156-1587.4二阶几率和几率谱的特性158-1627.5本章小结162-163附录163-164参考文献164-166第八章总结与展望166-1708.1工作总结166-1688.2本文的创新之处和今后工作的展望168-170附录：博士研究生阶段发表与待发表的论文目录170-171致谢171 本论文购买请联系页眉网站。