激光冷却与捕获原子
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。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究【摘要】本文主要讨论了原子的激光冷却及陷俘研究。
在介绍了研究背景和研究意义。
在详细介绍了激光冷却技术和陷阱技术，以及原子的冷却过程和陷阱过程。
还介绍了实验方法，包括如何利用激光冷却技术和陷阱技术实现对原子的控制和研究。
在展望了该领域的研究前景，总结了实验成果，并探讨了未来发展方向。
通过本文的研究和讨论，可以更深入地了解原子的特性和行为，为未来的原子物理研究提供重要的参考和指导。
【关键词】原子, 激光冷却, 陷阱, 冷却过程, 陷阱过程, 实验方法, 研究展望, 实验成果, 未来发展方向.1. 引言1.1 研究背景原子的激光冷却及陷俘研究是现代物理学和量子科学领域的重要研究课题。
研究背景可以追溯到上世纪80年代初人们发现了激光冷却原子的方法以及陷阱技术的发展。
这些技术的应用使得科学家们能够将原子冷却到极低温度，甚至接近绝对零度，从而实现了对原子的高精度控制和操控。
这项研究不仅拓展了我们对原子和量子现象的理解，也为量子信息和量子计算等领域的发展提供了重要基础。
随着技术的不断进步和实验手段的完善，原子的激光冷却及陷俘研究正在迎来新的发展机遇和挑战。
深入探究原子的激光冷却及陷俘研究对于推动科学的前沿和技术的创新具有重要意义。
1.2 研究意义原子的激光冷却及陷俘研究在当今物理学领域具有重要的意义。
通过对原子的冷却和捕获技术进行研究，可以实现对原子的极低温控制，从而使原子运动减慢到极低速度，甚至停止运动。
这种冷却技术为研究原子和分子的量子行为提供了重要的工具，可以揭示原子在极低温度下的玻色-爱因斯坦凝聚和费米子的超流现象。
激光冷却和陷阱技术也被广泛应用于精密测量、量子信息处理和制备量子比特等领域。
研究原子的激光冷却及陷俘不仅具有理论上的重要意义，还在实际应用中有着广阔的前景和潜力。
通过不断深入研究和开发这些技术，我们可以更好地理解和利用原子的量子性质，推动量子科学和技术的发展，为人类社会带来更多的创新与进步。
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。
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是一种通过激光技术使原子减少热运动而实现冷却的方法。
在原子物理学中，冷却原子是一项重要的研究领域，可以帮助我们更好地理解原子的性质和行为。
激光冷却的原理是利用激光的光压效应，将激光束作用于原子，使原子受到反向的力，从而减少其动能。
当激光的频率比原子的共振频率略高时，原子会吸收激光并受到反向压力。
而当原子的动能减小到与冷却材料的温度相当时，原子将被捕获并形成一个低温原子云。
目前，利用激光冷却的方法已经成功地将气体原子冷却到微开尔文（mK）的温度，甚至更低。
这种低温原子云的研究对于量子物理学以及精密测量技术有着重要的应用价值。
利用冷原子云可以研究量子纠缠和相干性，进一步探索量子计算和量子通信等领域。
除了激光冷却，陷俘技术也是研究原子物理学的重要手段之一。
陷俘是指利用电磁场或激光束来限制原子的运动，使其被捕获在一个特定的空间区域内。
陷俘可以通过多种方式实现，如磁陷俘和光陷俘等。
磁陷俘通常使用磁力场来限制原子的运动。
通过改变磁场的强度和方向，可以影响到原子的运动轨迹。
磁陷俘可以实现对原子的冷却和定位，在原子物理学实验中有着广泛的应用。
光陷俘是另一种常用的陷俘方法，它利用激光束对原子施加光场势能。
通过光学力和引力效应，原子被限制在一个光学陷阱中。
光陷俘具有很高的选择性，可以选择性地捕获不同能级的原子。
激光冷却和陷俘技术的研究对于原子物理学和凝聚态物理学有着重要的意义。
它们可以帮助我们更好地理解量子效应和量子现象，为精密测量和量子信息领域的发展提供基础。
这些技术也在制备冷原子时钟、构建量子计算机和实现量子隧道传输等方面具有重要的应用前景。
原子的激光冷却和陷俘研究是一项具有重要意义的研究领域。
通过这些技术，我们可以将原子冷却到极低的温度并进行精密控制，为量子物理学和精密测量学的发展做出贡献。
【历届诺贝尔奖得主(九)】1997年物理学奖1
1997年12月10日第九十七届诺贝尔奖颁发。
物理学奖美籍华裔科学家朱棣文、美国科学家菲利普斯、法国科学家科昂·塔努吉因发明了用激光冷却和俘获原子的方法，而共同获得诺贝尔物理学奖。
朱棣文（StevenChu，1948年2月28日－），美国华裔物理学家，生于美国圣路易斯；因“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”而获得1997年诺贝尔物理学奖。
现任美国能源部部长。
生平简介朱棣文(1948.2)男，祖籍江苏太仓，生于美国密苏里州圣路易斯。
汉族，1997年获诺贝尔物理学奖。
中国工作的朱棣文科学院外籍院士，美国第56届当选总统奥巴马提名美国能源部长。
工作的朱棣文朱棣文的父亲朱汝瑾是太仓人，母亲李静贞是天津人，他的祖父母也是太仓人。
他们40年代来到美国育有三子，都学有所成。
朱棣文排行老二。
在太仓创建了朱棣文小学，1998年曾经访校一次。
朱棣文1970年毕业于罗切斯特大学，获数学学士和物理学学士学位，1976年获加利福尼亚大学伯克利分校物理学博士学位，后留校做了两年博士后研究，1978年到贝尔电话实验室工作，1983年任该实验室量子电子学研究部主任。
1987年任美国斯坦福大学物理学教授，1990年任该校物理系主任。
1993年6月被选为美国国家科学院院士。
1997年因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖，与他同获该奖项的是美国科学家威廉·菲利普斯和一名法国学者。
还曾获费萨尔国王国际科学奖。
1998年6月5日，当选为中国科学院外籍院士。
2004年6月被任命为位于加利福尼亚州的美国能源部下属的劳伦斯·伯克利国家实验室主任。
2008年获得美国第56届当选总统奥巴马提名出任美国能源部长。
朱棣文高中毕业时，父亲本不赞成他选择物理学，认为善於绘画的他应该去学建筑，因为物理学界高手太多，不易出成就，而且做实验是枯燥无味的，然而朱棣文却对物理学情有独钟，学问做得津津有味。
从1983年起朱棣文开始从事原子冷却技术的研究，1985年发表第一篇学术论文。
量子方法研究原子激光冷却
量子方法研究原子激光冷却【摘要】我们应用含保守系统和非保守系统的薛定谔方程研究激光冷却机制，用该理论可以证明原子在激光场中被冷却。
同时，还预言了原子冷却温度T 与原子振动频率成正比，该结论与最近的实验结果完全一致。
【关键词】量子理论；原子冷却；冷却温度20世纪70年代中期开始的激光冷却与捕陷中性原子技术的研究，使人类进入了一个空前的超低温（10-4-10-9K）领域。
在这个新领域中人们实现了新的物态（气态原子的波色-爱因斯坦凝聚，BEC），发现了一系列新的物理现象，一些新的学科（即所谓的超冷原子物理、原子光学）也随之兴起。
操纵、控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标。
由于原子不停地热运动，要想实现操纵、控制的目的，必须使原子“冷”下来，即降低其速度至极低，这样才能方便地将原子控制在某个小区域中。
有关这个领域的理论和实验研究已有多篇文章评述[1-12]，其中文献[8-12]有相当全面地论述。
本文应用含保守系统和非保守系统的薛定谔方程[13]研究了激光冷却机制，从量子理论的角度很好的解释了原子激光冷却，并且预言原子激光冷却的温度和原子的角频率成正比，这和最近在Nature发表的实验结果符合相当好[19]。
1.含非保守力的薛定谔方程在激光场中，原子受到的力可以写成[14-15]：（1）其中，是原子的速度，是原子的位矢，k是激光场中原子的阻尼系数，是弹性恢复系数。
第一项-k激光冷却原子受到的非保守力，而第二项是激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应。
下面，我们将运用费曼的路径积分拓展薛定谔方程，使其既适用保守系统也能适用于非保守系统。
路径积分的公式为[16-18]：（2）通过计算，我们得到了拓展后的薛定谔方程，具体形式：（3）其中：2.原子激光冷却的量子理论由方程（3），我们可以对激光冷却用纯量子理论方法进行研究。
冷却原子受到的力为F=-k-k，第一项-k激光冷却中原子受到的非保守力，而第二项是-k激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应，所以方程（3）可以写成：（4）经推导，方程（4）的特解是：（5）原子的速度算符为：（6）速度算符在态下的平均值为：（7）分量的平均值为：=0 （8）的平均值：（9）所以，我们发现随着t的增加，和分别趋于零，也就是说随着时间t增加激光场中的原子被冷却了。
三种激光冷却机制的理论分析（理学）
华中科技大学硕士学位论文三种激光冷却机制的理论分析姓名：***申请学位级别：硕士专业：理论物理指导教师：***20070202摘 要激光冷却广泛运用于科学技术中，比如波色-爱因斯坦凝聚的研究、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪的研制等。
在光学粘胶中冷却原子，可达到多普勒冷却极限温度。
这时，再通过减弱激光强度和增大失谐量来继续冷却原子，能使其温度低于多普勒冷却极限。
要对原子进行深度冷却，即要突破反冲极限温度，可利用选择速度的方法，挑选出窄速度分布的原子。
虽然牺牲掉一部分原子，却得到单一速度的原子，故原子的温度就比较低。
本文主要讨论了三种冷却机制：多普勒冷却机制、亚多普勒冷却机制和亚反冲冷却机制。
多普勒冷却是基于光子的辐射压力来使原子减速；亚多普勒冷却是基于运动诱导造成的偏振梯度力使原子减速；亚反冲冷却是基于对原子的速度选择来获得单一速度分布原子，其可分为相干布陷冷却和拉曼激光冷却。
本文计算了速度选择的受激拉曼跃迁的三能级方程运动解析解。
得到了利用拉曼激光可以选择出特定速度分布的原子的结论。
首先利用半经典理论，作偶极近似，讨论了三能级原子系统和双光子的拉曼激光相互作用过程，在波函数中加入了速度参量，得到了三能级系统的演化方程。
然后，在弱场和大失谐条件下，把三能级方程退化为二能级方程。
最后用代换法把二能级方程化为常系数方程，得到了方程的解，理论结果和实验基本吻合。
本文还系统总结了一些其它文献中比较模糊的概念，比如相互作用哈氏量中磁场分量的忽略、激光选可见光、旋波近似等。
关键词：多普勒冷却，亚多普勒冷却，亚反冲冷却，相干布陷，拉曼激光，偏振梯度AbstractLaser cooling is widely applied in science and technique, such as Bose-Einstein condensation, verification for general relativity theory, atomic frequency scale and atomic interferometer etc. The temperature of atoms in the optical molasses could be cooled to the Doppler limit, and through weakening the laser intensity and increasing the detuning of the laser from the resonant frequency, the atoms could be further cooled below the Doppler limit. By velocity selection, one could get an atomic source with a narrow distribution in velocity and challenge the recoil limit temperature. Although some parts of the atoms are lost, the temperature of the remaining atoms, which have a uniform velocity, is quite low compared to the former.It discusses three mechanisms of laser cooling in this paper: the Doppler cooling mechanism, the Sub-Doppler cooling mechanism and the Sub-recoil cooling mechanism. The Doppler cooling which makes atoms slowdown is based on the radiation pressure of the laser; The Sub-Doppler cooling slows atoms down on the basis of polarization gradient forces caused by motive inductions; The Sub-recoil cooling including the coherent population trapping cooling and the Raman laser cooling, gets atoms with a slice velocity distribution depended on the velocity selection.It presents the analytical solutions of the three-level equations on the velocity-selective stimulated Raman transitions in this paper, and concludes the principle of selecting atoms with a uniform velocity out of an initial distribution. In the semi-classical theory and dipole approximation, we gets the evolution equations of the interaction of the three-level atoms with the two-photon Raman laser system, and the velocity parameter are also taken into account in the wave function. For weak lasers and large detunings, the three-level equations degenerate into two-level equations. Through transforming two-level equations into constant coefficient equations by substitution it gives the solutions of them. The theoretical analysis corresponds with the experimental results generally. It also generalizes a few concepts obscure in some papers systematically, such as ignoring the magnetic field component in theinteraction Hamiltonian, the choice of visible light for laser and rotating wave approximation etc.Key Words：Doppler Cooling, Sub-Doppler Cooling, Sub-Recoil Cooling，Coherent Population Trapping, Raman Laser, Polarization Gradient.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究随着物理学的发展，对于原子的研究也越来越深入。
其中一个重要的研究方向是如何对原子进行激光冷却和陷俘，因为这可以使原子的能量和速度减小到极低的水平，从而可以更好的研究和控制它们的行为。
下面将介绍原子的激光冷却和陷俘研究的基本原理和实现方法。
激光冷却是利用激光束对原子进行照射，从而使其受到反向的光压力，减小原子速度的过程。
具体而言，激光束通过调节频率和强度，与原子发生散射，使其获得反向的动量。
对于一个单一的原子，这种激光散射的效果并不明显，但是对于大量的原子，就可以获得很好的冷却效果。
根据激光的频率和强度的不同，可以将激光冷却分为三种：Doppler冷却、莫脱冷却和Sisyphus冷却。
Doppler冷却通常适用于高温铷和锂原子，通过激光的蓝移和红移来达到冷却效果。
莫脱冷却适用于低温镭和氘原子，通过激光的共振吸收达到冷却效果。
Sisyphus冷却适用于钠和铯原子，通过激光的热力学效应使原子在光势阱中震荡，从而达到减速效果。
陷俘是将原子捕获在封闭的空间中进行研究的过程。
传统的陷俘方法是通过磁场来实现，但这种方法不能直接捕获原子。
现在最常用的方法是利用光学陷阱来实现。
光学陷阱有两种：光子陷阱和蒸汽陷阱。
光子陷阱通常由激光束构成，将多个激光束聚焦在一个小空间内，形成一个光势阱，将原子捕获在这个空间中。
蒸汽陷阱则是利用激光在玻璃表面上形成的光场来实现，将原子捕获在玻璃表面附近的空间中。
除了以上两种常见的光学陷阱，还有一种新型的“飞行塔门”陷阱，它是通过一系列激光束组成的门，将气体分子引导到目标区域，然后再利用激光束将其捕获进行研究。
总之，原子的激光冷却和陷俘是物理学研究中的重要部分，可以帮助我们更好的了解和控制原子的行为。
通过使用不同的激光冷却方法和光学陷阱技术，可以实现对原子的高级控制和实验的可控性，从而推动物理学的发展。
激光冷却与捕陷原子的方法_1997年诺贝尔物理奖介绍
激光冷却与捕陷原子的方法)))1997年诺贝尔物理奖介绍*王 义 遒(北京大学电子学系,北京 100871)摘 要 介绍了1997年诺贝尔物理奖的获奖工作)))激光冷却与捕陷原子的方法,其中主要有光学粘团、亚多普勒冷却、亚反冲冷却、激光原子阱等.叙述了它们的物理原理、重要意义及其应用.关键词 激光冷却,激光,捕陷,光学粘团* 1997-12-1收到初稿,1997-12-9修回LASER C OOLING METHODS AND ATOM TRAPPING)))AN INTRODUC TION TO THE 1997NOBEL PRIZE IN PHYSIC SWang Yiqiu(Department of Electronic s ,Pe kin g Univer sity,Beij in g 100871)Abstract T he work of the w inners of t he 1997N obel Prize in Physics is briefly reviewed.T he principles of t he methods for laser cooling and trapping of atoms,such as opt ical molasses,sub-Doppler cooling,sub -recoil cooling,laser trapping of atoms etc,are desc ribed.T heir significance and possible applications are presented.Key words laser cooling,laser trapping,optical molasses1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布,1997年诺贝尔物理奖授予49岁的美国斯坦福大学朱棣文(Stenven Chu)教授,69岁的法兰西学院和巴黎高等师范学院C.C.达诺基(Claud Cohen Tannoudji)教授,48岁的美国国家标准技术研究院的W.D.菲利浦斯博士(Willian D.Phillips),以表彰他们在发展原子的激光冷却和捕陷方法上所作出的杰出贡献.什么是原子的激光冷却与捕陷?这种方法在科学技术的发展上有何重大的意义?本文试图对此作简要说明.有兴趣的读者可以阅读一些综述文章[1]和其他参考文献.1 重大意义物理学的基本任务是研究物质的基本结构及其最一般的运动和变化的规律.要开展研究,就要把研究对象拿在手,进行仔细的观察和测量.对原子和分子来说,这简直不可能.根据分子运动论,在常温下一切原子、分子都在高速运动.以空气中的氢分子为例,室温下均以1100m/s(4000km/h)的速率运动,即使降温到3K(-270e ),它们仍以110m/s(400km/h)的速率运动.这样的高速粒子如过眼烟云,很难观察,测量也必然带来严重误差.而且在降温时,一般原子会凝结成液体和固体,这时原子间有强烈的相互作用,其结构和基本性能都将发生显著变化.如何使原子分子的运动速度降至极小,甚至接近于零,又使它们保持相对独立,很少相互作用,这是物理学家的一个梦想,也是物理学上的一大难题.激光冷却与捕陷原子技术的发明使这个难题基本解决.现在人们已可使#131#27卷(1998年)3期原子温度降到10-10K量级而仍保持气体状态.这是人们操控物质粒子的极大成就.激光冷却与捕陷方法开创了原子分子物理和光与物质粒子相互作用领域的新的可能性,使测量精度大大提高.其实例之一是原子钟.现在的时间单位)))秒是由铯原子频率基准来体现的.由于原子高速运动所引起的谱线的多普勒频移和增宽、碰撞频移和增宽以及渡越增宽(决定于原子与辐射场相互作用时间),使复现基准频率和时间(即精确测定铯原子基态超精细结构分裂值)的误差一般[1@10-13.现在利用激光冷却和捕陷原子方法做成的原子喷泉,已使频率基准准确度达到10-15数量级[2],将来可望达到10-16.这是原子测量的光辉成就,对检验广义相对论、引力波等物理理论,开展精密定位、导航和深空探测等应用具有重要意义.物质粒子的德布罗意波长在室温下一般很小,难以呈现它的波动性;但在L k的低温下,粒子平均动量极小,德布罗意波长可达到和可见光波长相比或更长,粒子就会呈现波动性.这时就可使原子束呈现普通光束所具有的反射、聚焦、衍射、干涉等现象,从而开辟了/原子光学0的新领域.利用低速原子构建的原子干涉仪,可使重力加速度g值的测量精确度达到10-10数量级,还可实现纳米级的微细加工,开发原子印刷和刻蚀的新工艺,对未来微电子学的发展将带来深远影响.当原子冷却到足够低的温度时,原子的德布罗意波长大于它们之间的平均距离,原子群会进入一种特殊的状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚.这时所有的原子都处在能量最低的量子态,原子之间互相相干.在稀薄气体中,这种玻色-爱因斯坦凝聚的原子间相互作用极弱,因而可以对其特性进行精密的研究.目前对这种状态有些什么样的优良特性和应用前景尚不十分明确,但人们利用激光冷却和捕陷已实现了这种状态[3].1997年初,人们更成功地把原子一个个地从玻色-爱因斯坦凝聚态中取出来,形成相干的原子束,这好比激光束中的光子,因而称为原子激光[4].人们已预期可用原子激光做成精度更高的原子钟.它的进一步的用途尚在探索之中.可以肯定,这一新物质状态将给科学技术带来广阔的前景.2光学粘团激光冷却依靠光对原子的机械作用力.差不多在一个世纪之前,物理学家就已经认识到光对实物粒子有这种作用了,这就是光压.正是它使慧星尾巴永远背向太阳.但是,光对原子运动进行有效的人为控制却只是在激光问世以后.1975年,亨斯(H ansch)和肖洛(Shawalow)提出了用两束互相对射的激光冷却中性原子的建议.设想一原子沿x方向以速度v运动,激光束以-x方向迎面射向原子.原子会吸收激光光子,但这种吸收有共振作用,即光频率M等于原子本征频率M0时吸收几率最大.由于多普勒效应,原子感受到的激光频率为M c=M(1+ v/c),c为光速.因为v n c,原子以最大几率吸收的光频率应为M=M0(1-v/c),即光频率应调到负失谐M<M0处.光子带有动量p=h M/c, h为普朗克常数.原子吸收光子后获得其动量,在设定情况下,光子动量与原子动量反向,原子将损失动量而减速.原子吸收光子后将自发辐射释放荧光光子,此过程是各向同性的.一般原子每秒可吸收发射上千万个光子,每次吸收激光光子是定向的,发射荧光光子是无规则的(其平均动量变化为零),原子就会迅速减速而冷却(kT=m v2,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度).这种冷却称为多普勒冷却,冷却力称为耗散力或自发辐射力.由于每秒吸收发射次数很多,这种减速力是很大的,对钠原子的589nm 的共振光而言,其减速效果相当于十万倍的重力加速度!若原子沿x轴作一维无规运动,速度有大有小,有正有负,用方向相对的两束负失谐的激光照射,则原子优先吸收迎面来的激光光子,从而降低速度达到冷却.图1显示这种情况下原子所受的力,可见力的方向总是与速度方向相反,因而是阻尼力,原子速度就会趋于零.#132#物理图1多普勒冷却机制(a)一个原子在沿两束负失谐为D的对射激光驻波场中运动;(b)低激光强度时,由于激光负失谐,原子感受到来自反方向的平均作用力,这种静摩擦力可以冷却原子.速度为零时摩擦力曲线斜率等于摩擦系数把一维情况扩展到三维,从上下左右前后有6束激光射向原子,会发生什么情况呢?为此,1985年在贝耳实验室的朱棣文小组做了一个实验(见图2).他们用6束激光照射到从原子束上减速下来的钠原子团上,测量了6束激光交汇处冷却下来的原子团的温度,结果为240L K.显然原子速度并未冷却到零,它们仍在作微弱的但却是可观的运动.这一结果并非意外,实际上原子温度不可能冷却到零.原因是原子吸收光子损失动量后还会发射光子而得到一无规的反冲动量.这发射的光子还可能被邻近原子吸收而使它又得到一无规动量.在6束激光交汇区,原子和光子不断吸收发射,交换动量,处于互相胶着的状态.它们分别作类似于布朗运动的无规行走,从一处扩散到别处.朱棣文把这种原子光子的胶着状态称为光学粘团(op-tical molasses),因为它犹如一团糖浆,糖分子在其中作扩散运动而无法逃脱.不太复杂的统计物理理论可以计算出光学粘团中这种吸收冷却和无规发射加热所达到平衡时的最低温度.当负失谐量D(=M0-M)等于原子共振谱线的半宽度时,kT m i n=Ü#/2,#为谱线的自然宽度.这个最低冷却温度T m i n称为多普勒冷却极限.对实验中常用的23Na,87Rb,133Cs和4Ne原子而言,T min分别为240,144,125和23L K,朱棣文小组继激光减速原子束(包括W.Phillips和J. Hall两组的工作)之后,第一次实现了气体原子的激光冷却,为此后的研究工作开辟了诱人的前景,大大推动了此领域的研究.图2带有正交激光束和脉冲原子束的真空反应室原理图(原子束由一10ns双倍频的YAG激光蒸发一固态钠薄片产生.液氮冷却的隔板是一有效的低温泵,反应室的真空度~2@10-8Pa)3亚多普勒冷却朱棣文的光学粘团实验引起了科学家的兴趣,许多人重复他的工作.1987年美国国家标准局菲利浦斯小组重复了他的试验,测得的温度竟低达约40L K,即仅为多普勒极限的1/6.这一结果是惊人的,为了检验他们的实验结果确实无误,他们采用了3种测温度方法,其中有后来被此领域科学家广泛采用的精确的飞行时间法.该方法是把光学粘团的激光束关断,让原子团在重力场中自由下落,在一定距离处设一探测激光束,根据下落原子发出的荧光判定接受原子的多少.温度使原子速度分散,根据不同时间接受到的原子的多少以确定原子的速度分布,从而推出温度.所有这些方法都测得实验中的原子粘团温度约为40L K.#133#27卷(1998年)3期确定无疑的结果使C.C.达诺基和朱棣文等重新思索多普勒冷却极限理论的正确性.他们几乎同时认识到,这一理论过于简单,它是基于原子只有两个能级(一个基态和一个激发态)之上的.实际上,实验中所用原子,如钠、铯等,基态都有两个以上能级.在一定的偏振光作用下,原子会自动集中到某一子能级.这种现象称为光抽运效应.光波的电矢量方向决定激光的偏振方向.可以想象,在光学粘雾6束激光交汇处,光的偏振状态不是整齐有序,而是随地点而变化的,即具有/偏振梯度0.若在一定偏振光作用下原子倾向于落在能量低的能级,则随着原子的移动其所感受的光场偏振变化就意味着它在光场中的势能有所增加,而这只能靠降低其动能来得到补偿.这样原子在运动中将丧失动能而减速冷却.此后,原子又会在光作用下激发,而下落时又将处于最低能态,在以后的移动中又进一步丧失动能.如此往复,原子一次次在光势能场中爬坡、激发,下落到最低能态,如同古希腊神话中西西弗斯(Sisyphus)被罚推石上山,到达山顶后又滚下,如此周而复始,能量大损.所以这种机制又称西西弗斯冷却.图3是一种一维偏振梯度的特例:原子两个能级的能量随光场偏振状况不同而变动(这实际上是能级/光频移0的变动),原子从最低能量态移动时总是沿势能曲线爬坡,遇光激发后又抽运到最低能态,如此往复.这种机制使已经多普勒冷却的原子进一步冷却,其极限温度与激光的强度和频率失谐量有关,原则上可以达到与吸收和发射一个光子所带的反冲动量相对应的最低值,即kT=(h M)2/mc2.这个最低温度称为反冲极限.对钠原子,T m i n为214L K;对铯原子则为012L K.除了偏振梯度冷却以外,还发现了另外一些亚多普勒冷却机制,它们都利用了基态多能级结构、光抽运、光频移、磁共振等效应.这些新机制的发现,使激光冷却原子技术更丰富多样.4亚反冲冷却上述原子冷却机制都包含了光子的吸收和发射,因而和交换光子动量相联系,其冷却温度受反冲极限所限制.1988年,C.C.达诺基与其同事发明了一种绕过这种极限的冷却方法,称为速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT),其原理示于图3.这里以相反方向作圆偏振的光图3西西弗斯冷却机制(原子在激光偏振场中沿势能曲线爬坡,到达势能最高点处又被光抽运到最低能态.平均地说,原子爬坡几率比下坡几率大,原子就会损失动能,从而速度降低.在如图所示的这种情况,原子损失动能最大,因为原子运动1/4波长所需时间刚好等于光抽运时间S p)(R+,R-),以同一频率从相反方向照射原子.原子基态有3个简并能级,在圆偏振光作用下, g+,g-能级可以与激发态e0耦合,双光子受激辐射过程在这里起重要作用,原子可以从g+态吸收R-光子,并通过受激发射R+光子而过渡到g-态,反之亦然.这种过程虽可使运动原子损失两个光子能量,但由于正反方向有相等几率却不能使原子减速.但是,原子在激发后还可能通过自发辐射散射荧光光子,还是能使原子减速而冷却.当原子速度接近于零度时,g+和g-态可通过同时吸收R+和R-光而耦合处于相干叠加态,这时原子反而不再吸收光子,也不再发射荧光,称为处于/暗态0.这样,v=0的原子将长留此暗态.因此,一旦原子减速到接近于零,就捕集于此相干叠加态,原子在此态积累.C.C.达诺基小组利用此法于1988年把亚稳态氦原子一维冷却到2L K,不仅远低于多普勒冷#134#物理却极限,而且也仅为反冲极限4L K 的一半.严格地说,VSCPT 法仅是一种把速度为零的原子选择出来加以捕集的方法,但它可使冷却温度低于反冲极限,因而十分诱人.巴黎这个研究组于1994年又对氦原子实现了二维VSCPT 冷却,得到温度为250nK.1995年又实现了三维冷却,温度低至180nK [5].图4 速度选择相干布居数捕陷法(VSCPT)原理(a)两束对射的R +和R -偏振激光和4He 原子作用,发生23s 1-23p 1跃迁;(b)原子的塞曼子能级和一些Clebsch -Gordan 系数.由于e 0\g 0跃迁是禁戒的,几次荧光循环跃迁后所有的原子泵浦到g +和g -态,这两个能级的原子只能耦合到e 0态,这样一个近三能级+组态就形成了若如图4所示的原子能级中两个能级有能量差,且同时能与一个激发态实施光耦合,则利用类似上述速度选择相干布居数捕陷法可实现拉曼冷却.此时,两束对射的冷却激光束的频率差小于两个基态能级的能量差,则多普勒效应使速度为正向的原子以吸收-x 方向的激光而激发,受激发射的光子则加入到+x 方向的激光,从而使原子丧失两个光子的动量而减速.把两束有频差的激光方向反转,则对带-v 速度的原子起作用.此时原子已从原来基态一个子能级转到另一子能级,为了继续发生作用,用一抽运光束使原子回到原来子能级,这时原子速度已改变.为了有效减速,激光频率应作调整,以使与多普勒频移合拍.这样,拉曼冷却采用一连串的频率和持续时间不断变化的拉曼光脉冲和抽运光脉冲相间的激光序列.如上述速度为零的原子则不再与激光作用.朱棣文用这种方法在斯坦福大学先后对钠原子实现了一维、二维和三维冷却,其所得温度分别为反冲极限的0125倍、114倍和5倍[6].C.C.达诺基的小组则在巴黎高等师范学院将铯原子冷却到了218nK 的低温,仅为反冲极限的1/70[7].这是目前激光冷却的最低温度.速度选择相干布居数囚禁的方法是捕集速度为零的原子,其最终温度极限决定于相互作用时间,因而没有明确界限.朱棣文等曾利用钠原子喷泉方法,选择捕集到速度范围极窄的一群原子,其相应温度仅为24pK.5 激光原子阱激光对原子的机械作用,除上述耗散力以外,还有一种偶极力.这种力的本质如同磁铁吸针的磁力.针在磁铁作用下诱导出极性,其近磁铁一头极性与磁头相反,离磁铁一头极性与其相同.在磁铁的不均匀磁场作用下,吸力大于斥力,针就被磁铁吸引.在光场作用下,原子也会产生极性)))感应偶极矩,它可使原子吸引到光强最强处.是吸收还是排斥,取决于激光频率是低于还是高于原子共振频率.这种现象也可用原子能级的能量在光场中的移动)))光频移来解释.若光频率负失谐,则原子基态能级随光强度增加而向能量低处移动;反之,若为正失谐,则光强越大,基态能量亦越高.移动量与光强成正比.因此,当一束负失谐的高斯激光束通过原子气体时,原子就会自发向光腰处汇聚,因为光腰中心处光强最强,原子在光场中势能最低,这就形成了激光原子阱.同时,若有一束负失谐的驻波激光束通过原子,原子会聚集到波腹处.但是,对实际激光束,这种势阱深度很浅,动能较高的原子就可以逸出阱外.若以温度来度量,则这种阱深一般在mK 量级,甚至更低.朱棣文等曾在激光冷却的光学粘团中加一束高斯激光束,把低温原子捕陷于光腰上,成功地展示了激光阱的作用.许多原子(如碱金属原子)带有磁矩,可用#135#27卷(1998年)3期不均匀静磁场捕陷原子,菲利浦斯等人曾成功地实现了静磁原子阱.但这种阱的势能深度也不大,只能囚禁低速原子.为了克服这个困难,巴黎高等师范学院C.C.达洛基小组的达利巴(Dalibard)提出了一种磁光阱的建议.这种阱把激光和静磁场对带磁矩的原子的作用有机地结合起来,可以得到几百mK的阱深,因而具有实用性.1987年,朱棣文和Pritchard合作成功地对预先用激光减速的钠原子实现了磁光阱. 1990年,科罗拉多大学的Wieman竟能在气室中用磁光阱直接把低速原子捕集并冷却下来.这个实验大大简化了激光冷却与捕陷原子的技术,使这种技术得以广泛地进入激光与原子分子物理实验室,成为强有力的研究手段.我国70年代末,王育竹小组在中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)率先开展了激光冷却原子的研究,并在80年代末得到了钠原子束一维冷却温度60L K的好结果.北京大学小组从90年代起开展了以原子喷泉频标为目标的激光冷却原子工作.1996年北京大学和上海光机所小组分别实现了铯原子和钠原子的磁光阱.1997年北京大学小组进一步实现了光学粘团,得到了10L K的铯冷原子团.上海光机所小组在原子干涉上也取得了成绩.这两个小组与3位诺贝尔奖获得者都保持着学术联系.朱棣文曾于1988年、1997年两次访问中国,进行了学术讲演,这次获奖后曾与江泽民主席会晤,允诺再次来华进行学术访问.C.C.达诺基曾于1979年访问我国,并允诺近年再次来华.W.D.菲利浦斯对北京大学的不对称光学粘团的设想曾给予了积极评价.他们的获奖对增进我国开展激光冷却与捕陷原子工作将会带来积极影响.致谢作者感谢聂玉昕、杜祥琬和5物理6编辑部提供的部分资料.参考文献[1]W.D.Plillips,H.J.Metealf,S c ientif ic Amer ican,No.3(1987),36;C.N.Cohen-T annoudji,W.D.Plilli ps,Physics Tod a y,No.10(1990),33;S.Chu,Science,253(1991),861;S.Chu,Scientif ic A meric an,No.2(1992),49;G.B.Lubkin,Physics Toda y,No.1(1996),22;王义遒,物理,19(1990),389;王义遒,物理,19(1990),449;王育竹、王笑鹃,物理,22(1992),16.[较深入的了解可阅读J.Opt.Soc.A m.B,66-11(1989).][2] A.Cl airon,nrent,G.Santarelli et al.,IEEE Trans.,I M-44-2(1995),128.[3]M.H.Anderson,J.R.Ens h et,M.R.Matthew s et al.,Scienc e,269(1995),133.[4]M.O.Mews et al,Ph ys.Rev.L ett.,78(1997),582.[5]wal l,F.Bard ou,B.Saubamea et al.,Ph ys,Rev.L ett.,73(1994),1915;w all,S.Kulin, B.Saubamea et al.,Phys.Rev.L ett.,75(1995),4194.[6]N.Darids on,H-J.Lee,M.Kasevich et al.,Ph ys.Rev.L ett.,72(1994),3158.[7]J.Rei chel,F.Bardou,M.Bendahan et al.,Phys.Rev.L ett.,75(1995),4575.#136#物理。
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。
激光捕获原子技术在冷原子物理中的应用
激光捕获原子技术在冷原子物理中的应用冷原子物理是研究极低温下，原子相对论性效应和量子力学效应的行为的一门学科。
冷原子物理手段的发展已经进入到了一个比较成熟的阶段，其中激光捕获技术作为其中的一项关键技术日渐成熟。
激光捕获技术，是一种利用激光光学实现对冷原子的捕获、冷却和操控的技术。
这种技术是将激光光束与冷原子相互作用的重要手段之一，包括磁光阱（magneto-optical traps）、磁光波导（magneto-optical waveguides）等形式。
激光捕获技术的基本原理是：利用激光光束和磁场共同作用，通过对原子的速度、运动方向和位置的精密控制，使得原子能够被捕获、冷却和操控。
激光和磁场结合的技术操控范围广泛，并且可以随着实验需求的变化而进行调整。
激光捕获技术的发展历程也较为悠久，1975年，美国加州大学伯克利分校的三位科学家发明了第一种利用激光束把钠原子用氖原子冷却的磁光阱，开启了观测冷原子的新纪元。
激光捕获技术已经广泛应用于多种冷原子实验。
其应用可以分为三类：一是研究超冷气体中的大分子物理；二是研究量子信息科学；三是研究基于冷原子的精密测量。
其中，应用激光捕获技术研究超冷气体中的大分子物理，是目前冷原子物理研究的重点之一。
超冷气体中的大分子物理是一个重要的研究方向，对于物态方程、化学反应和光谱学等方面都有极大的应用价值。
冷原子击穿电离离子源（cold atomic beam photoionization source）是否相当于一种超冷量子气的实验，是一个值得研究的问题，对于大分子物理有很重要的意义。
其次，应用激光捕获技术研究量子信息科学也是目前的研究方向之一。
冷原子和离子是量子体系中操控最为灵活的量子比特，在目前量子计算机领域中有着广泛的应用前景。
激光捕获技术可以实现对单个原子的数量、状态和位置的可控制，是实现量子信息科学的重要手段之一。
最后，应用激光捕获技术研究基于冷原子的精密测量也是一项重要的研究方向。
美国新任能源部长朱棣文的_激光冷却捕捉原子_
朱棣文认为， 创新精神是最重要的， 创新精神强而天资差 的 物 理 量 ，从 而 可 分 阶 段 翻 译 DNA 密码。 目前，也有的学者利用此观点开始 研究“原子激光”，由此希望制造更精密的 电子元件。
1997 年 11 月 2 日，正在美国访问的 江泽民主席在洛杉矶亲切接见了朱棣文， 他请朱棣文经常回来看看， 朱棣文说，他 已经去过中国两次，很愿意为促进美中两 国科技交流做出努力。
利用激光束致冷捕捉原子技术从事 精确测量的研究，使得过去不可能达到的 精密测量技术成为现实。该项技术的应用 未来发展空间很广、领域很多，例如利用 原子波动制作原子干涉仪，或制作原子钟 用于太空飞行。朱棣文本人则利用这种精 密测量技术来描述重力分布，揭开地球上 的许多谜团，诸如探测油田（油的重力较 小 ）、探测海底或海底的矿物质 。 激光束致 冷技术在生物技术上的应用， 可以测量
科技评论（Commentary）
·科学顿悟· 文/王渝生
美国新任能源部长朱棣文的“激光冷却捕捉原子”
栏目主持人 王渝生，科学史家，科普专 家，研究员；第十届全国政协委员，中国 科技馆原馆长，北京市科协副主席；著有 《自 然 科 学 史 导 论 》、 《 科 学 寻 踪 》、 《 科 技 百年》、《中国算学史》等 ，荣 获 国 家 图 书 奖、中国图书奖、20 世纪科普佳作奖等。
朱棣文祖籍江苏太仓，和另一位华裔 科 学 家 、物 理 学 女 杰 吴 健 雄 （1912-1997） 同乡。 1948 年 2 月 28 日，朱棣文出生于 美 国 密 苏 里 州 的 圣 路 易 斯 。 1997 年 ，49 岁的朱棣文因其在激光制冷和捕捉原子 技术方面的杰出成就荣膺诺贝尔物理学 奖 ，这 项 研 究 成 果 是 他 在 1987 年 就 获 得 的，当时朱棣文只有 39 岁，并因此升任斯 坦福大学物理系教授。
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技术是一种先进的实验手段，用于将原子冷却到极低温度并将其捕获。
这种技术在量子计算、量子模拟和精密测量等领域有重要应用。
激光冷却是通过向原子发射脉冲激光，使其获得动量，并通过光纳冷效应降低原子的热运动，从而将其冷却到极低温度。
激光冷却通过调整激光的频率和能量，可以选择性地冷却特定种类的原子。
常用的激光冷却方法包括多普勒冷却、蒸汽冷却和光泡冷却等。
多普勒冷却是最常见的激光冷却技术之一，它利用多普勒效应实现对原子的冷却。
在多普勒冷却中，激光的频率略高于原子的共振频率，当原子向激光器传播时，激光的频率会降低，从而减慢原子的运动速度。
通过多次多普勒冷却，原子的运动速度可以被有效地降低，进而实现冷却。
除了激光冷却外，陷俘技术也是一种重要的冷却手段。
陷俘是指通过控制磁场或电场，将原子限制在一个非常小的空间范围内，从而有效降低原子的热能。
陷俘的常见方法包括磁光陷和离子陷等。
磁光陷是利用磁场和激光场相互作用，将原子限制在一个磁场和激光场的共同作用区域内。
在磁光陷中，激光场会对原子施加阻尼力，使其停留在激光光斑中心；磁场会对原子施加保持力，将其限制在一个局部磁场区域内。
通过不断调整磁场和激光场的强度和位置，可以实现对原子的高效冷却和陷俘。
离子陷是一种将原子离子化并用电场限制的陷俘技术。
在离子陷中，原子首先通过激光场被激发为离子，然后通过高强度的电场将离子限制在一个小范围内。
离子陷在量子计算中有广泛的应用，可以用来实现多个离子之间的相互作用，从而构建量子比特。
激光冷却和陷俘技术为研究冷原子物理学和量子信息科学提供了重要的实验手段。
它们通过将原子冷却到极低温度，并将其捕获在一个小空间范围内，使研究人员能够更好地观察和操控原子的量子行为。
这对于发展量子计算、量子模拟和精密测量等领域具有重要意义，也为探索量子世界的奥秘提供了新的途径。
单原子的激光冷却、囚禁和操控及其最新实验进展
东华理工大学毕业论文毕业论文题目单原子的激光冷却、囚禁和操控及其最新实验进展英文题目laser cooling , trapping and controlling of Single atoms as well as recent progress in theexperimental studies学生姓名：李小军学号：0 3 0 9 3 1 15指导老师：陆俊发专业：应用物理学二零零七年六月东华理工大学毕业论文摘要单原子的激光冷却、囚禁和操控及其最近实验进展摘要本文综述腔内单原子激光冷却、囚禁与操控的基本原理，实验方案和最新进展，并讨论其在腔量子电动力学、单原子激光、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。
我们知道，原子在外场中被感应出一个电偶极矩，当原子在非均匀光场中运动时，将受到感应的电偶极力的作用。
鉴于此，可利用光场梯度产生的偶极力俘获腔内单原子。
然而非常短的囚禁时间远远无法达到量子信息科学对其实际应用的要求，使囚禁时间大大提高成为所有科学家急需解决的问题。
单原子囚禁时间目前可在腔量子电动力学中达到17s，这是史无前例的。
使原子冷下来，能获得更长的原子囚禁寿命，现在，Rempe小组已经做到在三维方向上冷却腔内单原子。
随着单原子囚禁和冷却技术的发展，人们一直梦寐以求能对单原子进行更长时间的激光发射。
量子信息科学的一个关键构造单元是一个非随机的单光子源以便在一个很好的控制的电磁时空模式中产生一个量子波包。
腔内量子动力力学（c-QED）的快速发展将会为量子信息科学实验研究提供更多，更有力的工具。
关键词：单原子，激光冷却，激光囚禁，单原子激光，单光子源，腔量子电动力学ABSTARACTThis paper comprehensively states the basic principle of cooling，trapping and controlling of cavity single-atoms laser, recent experimental progress and，and discuss about the application of these theories in the research of C-QED，single-atoms laser，single-photons sources and quantum information process.AS all we know，a electrical pole is induced when the atom is in external electromagnetic field. when the atoms move in heterogeneous light field，it will be influenced by the induced electromagnetic polar. In view of this，we can get cavity single atoms through even electrical polar in gradient light field. while within such a short time，it would be impossible to live up to the requirement made by quantum information science when applied into practice. So how to increase the trapping time has become a urgent problem that needs to be solved immediately by many scientists. The trapping time of single atom can be up to 17s in C-QED，which is unprecedented. the longevity of the atom can be expanded when cooled down. Now，Rempe team has been cooling down cavity single atom in three dimensions. With the development of trapping of single atom and cooling technology，people have been craving for expanding the laser radiating time of the single atom, a key construction unit of quantum information science is a systematic single photons source so as to produce a quantum wave-bag in a pretty controlled electromagnetic time-space model. The rapid development of C-QED will provide a more powerful weapon for quantum information scientific experiment and study.Key word：single-atoms , laser cooling , laser trapping ,single-atoms laser , single-photons sources, cavity quantum electrodynamics目录绪论 ........................................................................................................................................................ - 1 -1. 单原子激光冷却............................................................................................................................... - 2 -1.1激光冷却的物理机制 (2)1.2腔内激光冷却机制及方案 (4)1.3单原子腔内激光冷却的最新方案和进展 (6)2. 单原子的激光囚禁 ....................................................................................................................... - 10 -2.1光学偶极阱俘获单原子原理 (10)2.2腔内单原子的光学偶极阱囚禁原理与方案 (11)2.3单原子激光囚禁的最新实验进展与结果 (13)2.3.1 红失谐光阱囚禁........................................... - 13 -2.3.2 蓝失谐空心光束囚禁....................................... - 15 -3. 单原子激光操控 ............................................................................................................................ - 18 -3.1冷原子的腔内装载及其实验结果 (18)3.2腔内囚禁原子数的实时测量和实验结果 (19)3.3腔内单原子运动的反馈控制 (20)4. 单原子激光操控实验的最新进展及应用 ............................................................................ - 22 -4.1腔内的光和原子的相互作用 (22)4.2单光子源的制备 (23)4.3单原子激光的实验产生 (25)5. 总结.................................................................................................................................................. - 28 -致谢 ...................................................................................................................................................... - 29 -参考文献.................................................................................................................................................. - 30 -绪论在微观尺度上操纵原子、分子，按人类的意愿改变原子、分子间的排列组合，长久以来是人类的一个梦想。
读激光冷却和操控原子文章
读激光冷却和操控原子文章激光冷却和操控原子：原理与应用2018-05-08 13:39技术科技导报激光冷却和囚禁原子的发展历程激光冷却和囚禁原子来源于光场对原子的机械作用力。
激光冷却原子最初在原子束上得以实现。
1982年，美国国家标准和技术研究所（NIST）的Phillips报道了方向与原子束对射、频率相对原子谐振红移的激光多普勒冷却实验，将钠原子的热运动速度降低到原来的4%（平均速度40 m/s，速度分布10 m/s），即原子温度冷却至70 mK（对应速度分布）。
1985年，Phillips和Hall研究组分别利用空间变化磁场和频率扫描的方法实现了将原子束减速，直至原子静止，原子温度分别为100 mK 和50 mK，原子密度分别为105cm-3 和106 cm-3。
在此基础上，Phillips研究组利用2个环形线圈搭建静磁阱实现了冷钠原子囚禁，囚禁时间达到0.83 s，不过这种静磁阱并没有冷却原子的功能，钠原子需要预先冷却后注入静磁阱。
1985年，美国贝尔实验室的朱棣文研究组报道实现了一种新的激光冷却方法，称为“光学阻尼”。
将6束激光作用于已经预冷却的钠原子团，利用多普勒冷却机制将钠原子进一步冷却至多普勒极限温度240 μK，将原子温度降低2个数量级，原子的密度106 cm-3。
光学阻尼没有恢复力作用，因此无法实现原子囚禁。
进一步研究利用光偶极阱实现原子囚禁。
1986年，报道利用一束高功率聚焦激光囚禁了500个左右的原子，原子密度提高到1011~1012cm-3，阱的寿命达到秒量级。
1987年，他们与美国麻省理工学院Pritchard研究组合作实现了一种结合光学阻尼和梯度静磁场的阱，称为“磁光阱”（MOT）。
MOT不仅实现了原子的多普勒冷却，还借助塞曼效应在梯度磁场中实现了光和原子的持续循环跃迁，产生恢复力，形成势阱，实现了原子的囚禁，囚禁原子数目达到107个，密度达到1011 cm-3，原子温度达到600 μK。
激光冷却捕捉原子朱棣文汇总
"激光冷却捕捉原子"朱棣文王渝生文1997年诺贝尔物理学家奖新得主朱棣文于1948年2月28日出生在美国密苏里州的圣路易斯。
他的父母是江苏太仓人，40年代来到美国。
他们育有三子，都学有所成。
朱棣文排行老二。
中学时，朱棣文的成绩不算拔尖，倒是他哥哥的成绩是第一名。
"但上了大学以后，"朱棣文说，"我不光是学书本上的东西，而是自己想学的就下功夫学，结果成了最优秀的学生，而哥哥的名字反而无人知晓了。
"朱棣文后来居上，1970年又获物理学博士学位。
1978年，朱棣文进入美国贝尔实验室任研究员；1987年起斯坦福大学教授至今。
朱棣文最早发展出了一套利用激光冷却并捕捉原子的方法。
打个比方，犹如以喷水的方式来使一个行进当中的小球静止下来，让它悬浮在空中，把它看个够。
这项成就，可使科学家在前人所无法到达的领域内操控物质，同时也是对物理学理论的重大突破。
为此，朱棣文从1976年做博士后起整整奋斗了20年的时间。
然而，朱棣文在得知他获奖的消息后却平静得异乎寻常。
他说："我不希望因这个奖励则打断我的时间表，我仍会象往常一样地去学校上课。
"朱棣文的父母亲则说："身为父母，有子荣获诺贝尔奖，当然非常开心，更重要的是，他替中国人争了光。
"替中国人争光-这是旅居海外的炎黄子孙的共同心愿，也是我们中华民族团结奋进、生生不息、永远向上、永葆青春的巨大精神力量。
1997年11月2日，正在美国访问的江泽民主席在洛杉矶亲切会见了朱棣文，他请朱棣文经常回国看看，朱棣文说，他已经去过中国两次，很愿意为促进美中两国科技交流做出努力。
激光原子冷却技术及其物理效应解析
激光原子冷却技术及其物理效应解析激光原子冷却技术是一种利用激光与原子相互作用实现对原子的冷却和捕获的先进技术。
它在物理、化学、精密测量、量子计算等领域有着广泛的应用。
本文将对激光原子冷却技术的原理、方法和物理效应进行解析，帮助读者更好地了解该技术的基本原理与应用。
激光原子冷却技术基于原子与激光之间的相互作用。
在原子中，电子绕核运动产生的等效电流产生磁矢和电矢，进而形成一个微观磁矩和电偶极矩。
当激光场与原子相互作用时，电磁辐射力和反冲力就会影响原子的运动。
通过调整激光的能量与频率，可以实现对原子的冷却和捕获。
激光原子冷却技术主要有三种方法：光压冷却、激光冷却和蒸汽淬灭冷却。
光压冷却是利用激光光子的动量传递给原子，使原子的速度降低，从而实现冷却。
激光冷却是利用激光的反冲力和电磁辐射力来冷却原子。
蒸汽淬灭冷却是通过蒸汽的吸收和辐射激光的相互作用来实现对原子的冷却。
激光原子冷却技术的物理效应主要包括冷却效应和捕获效应。
冷却效应是指激光与原子相互作用后，原子的动能减小，使原子的速度降低，从而实现对原子的冷却。
捕获效应是指原子在激光相互作用下，受到光压或反冲力的作用，从而被激光场捕获并集中在一个小的空间范围内。
这种效应使得原子的平均动能降低，使得原子能够在低温条件下进行进一步的研究和应用。
通过激光原子冷却技术，可以将原子冷却至极低的温度，甚至将其冷却至绝对零度附近。
这种极低温度下的原子称为玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein Condensate，简称BEC）。
玻色-爱因斯坦凝聚体是由大量的玻色子（自旋为0或整数的粒子）在极低温度下出现的一种物质形态。
这种凝聚态具有超流动和凝聚性，对于研究量子行为和实现量子计算等领域具有重要意义。
除了玻色-爱因斯坦凝聚体外，激光原子冷却技术还可以实现费米子的冷却和捕获。
费米子是自旋为1/2的或半整数的粒子，具有费米-狄拉克统计。
通过激光原子冷却技术，可以将费米子冷却至低温态，形成“费米准气体”，实现对费米子性质的研究和应用。
原子的激光冷却与捕陷(I)
原子的激光冷却与捕陷(I)
王义遒
【期刊名称】《物理》
【年(卷),期】1990(19)7
【摘要】本文综述了近年来原子的檄光冷却与捕陷领域实验工作的进展，首先介绍了辐射场对原子机械力作用的物理原理。
然后分别叙述原子束的激光减速、原子束的激光准直、光学粘团（ｏｐｔｉｃａｌｍｏｌａｓｓｅｓ）和激光原子阱研究的成就．
【总页数】6页(P389-394)
【关键词】原子;激光;冷却;捕陷
【作者】王义遒
【作者单位】北京大学无线电电子学系
【正文语种】中文
【中图分类】O562
【相关文献】
1.激光冷却和捕陷中性原子① [J], 李师群
2.激光冷却和捕陷中性原子② [J], 李师群
3.激光冷却和捕陷中性原子简介 [J], 钟牛平
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激光冷却与捕获原子
获得低温是长期以来科学家所刻意追求的一种技术。
它不但给人类带来实惠，例如超导的发现与研究，而且为研究物质的结构与性质创造了独特的条件。
例如在低温下，分子、原子热运动的影响可以大大减弱，原子更容易暴露出它们的“本性”。
以往低温多在固体或液体系统中实现，这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子。
20 世纪 80 年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（例如，10-10K ）状态，这种获得低温的方法就叫激光冷却。
激光冷却中性原子的方法是汉斯（..
..T W H Ansch ）和肖洛（A. L. Schawlow ）于 1975 年提出的，80 年代初就实现了中性原子的有效减速冷却。
这种激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子（图 1）后，从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。
速度减小的值为
/h Mc νν−Δ= （1） 处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，由于反冲会得到动量。
此后，它又会吸收光子，又自发辐射出光子。
但应注意的是，它吸收的光子来自同一束激光，方向相同，都将使原子动量减小。
但自发辐射出的光子的方向是随机的，多次自发辐射平均下来并不增加原子的动量。
这样，经过多次吸收和自发辐射之后，原子的速度就会明显地减小，而温度也就降低了。
实际上一般原子一秒钟可以吸收发射上千万个光子，因而可以被有效地减速。
对冷却钠原子的波长为 589nm 的共振光而言，这种减速效果相当于 10 万倍的重力加速度！由于这种减速实现时，必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应，所以这种减速就叫多普勒冷却。
由于原子速度可正可负，就用两束方向相反的共振激光束照射原子（图2）。
这时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。
实际上，原子的运动是三维的。
1985 年贝尔实验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分别沿x、y、z三个方向照射钠原子（图3），在 6 束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来，温度达到了 240μK 。
理论指出，多普勒冷却有一定限度（原因是入射光的谱线有一定的自然宽度），例如，利用波长为 589nm 的黄光冷却钠原子的极限为 240μK，利用波长为 852nm 的红外光冷却铯原子的极限为 124μK 。
但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。
1995 年达诺基小组把铯原子冷却到了 2.8nK 的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为 24pK 的一群钠原子。
在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实体，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。
朱棣文把这种实体称做“光学粘团”，这是一种捕获原子使之集聚的方法。
更有效的方法是利用“原子阱”，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”原子可以被收集在坑内存起来。
一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成（图4）。
这种阱中心的磁场为零，向四周磁场不断增
强。
陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低。
偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。
这种阱曾捕获 1012个原子，捕陷时间长达 12min 。
除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁阱、光阱结合起来的磁 —— 光阱。
激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意义。
例如，由于原子的热运动几乎已消除，所以得到宽度近乎极限的光谱线，从而大大提高了光谱分析的精度，也可以大大提高原子钟的精度。
最使物理学家感兴趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色 —— 爱因斯坦凝聚。
这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于 1924 年预言的，但长期未被观察到。
这是一种宏观量子现象，指的是宏观数目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。
它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。
在被激光冷却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长较大。
同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们的相互作用很弱而间距较小，因而可能达到凝聚的条件。
1995 年果真观察到了 2000 个铷原子在 170nK 温度下和5 × 105个钠原子在2μK 温度下的玻色 —— 爱因斯坦凝聚。
朱棣文（S.Chu）、达诺基（C.C. Tannoudji）和菲利浦斯（W.D.Phillips）因在激光冷却和捕陷原子研究中的出色贡献而获得了 1997 年诺贝尔物理奖，其中朱棣文是第五位获得诺贝尔奖的华人科学家。