激光冷却和捕获原子_1997年诺贝尔物理奖介绍
朱棣文的故事
朱棣文的故事导读：本文朱棣文的故事，仅供参考，如果觉得很不错，欢迎点评和分享。
朱棣文的故事:矢志不渝的朱棣文朱棣文是著名的华裔物理学家。
1997年，他因在研究利用激光冷却和捕获原子方面取得了重大成就而获得诺贝尔物理学奖。
他是第五位获得诺贝尔奖的华裔科学家。
朱棣文出身于科学世家。
他的家族先后出了12个博士和硕士，父亲朱汝瑾是当代科学家，母亲李静贞也卓有建树。
他从小就是在这样的环境下成长起来的，因而很早就对科学表现出浓厚的兴趣。
在幼儿园毕业的那个夏天里，小朱棣文应邀参加一个小朋友举办的建造塑料模型飞机和军舰活动，从此爱上了这种培养动手能力的活动，到小学四年级时，他已达到了“装配工”水平。
在他卧室的地毯上，金属“梁”和小螺母、螺杆散落一地，都围绕在一些半成品周围。
稍大一些后，他又喜欢上了化学游戏，对火箭和火药也产生了极大兴趣。
不久，又把兴趣点转到了测量邻居的土壤酸碱度及其所缺少的营养物质上。
读中学时，朱棣文对物理和微积分产生了极大的兴趣。
这两门课不用记忆一连串的公式，只是用一些基本概念和假设推理来判断。
特别是物理老师常把复杂、枯燥的概念和问题简单化，甚至有时候还改编成故事，并说物理是学习如何处理最简单的问题。
老师的讲解深深地吸引了朱棣文，他开始了对物理学领域的探索，并在高中最后一个学期里动手做了一个物理摆，用它“精确地”测量了引力。
不过，父亲却不愿意儿子学物理。
小时候，朱棣文对画画很感兴趣，画得很有灵气，在学校里是出了名的。
父亲知道后非常高兴，因为他希望儿子将来不要继承家庭传统，争当科学家，而改为非常实用的建筑行业上来。
画画正好可以派上用场，“好好画，将来好做个建筑师。
”父亲鼓励他说，“搞建筑业，工作稳定，收入也高，也非常体面。
”“建筑师？爸爸，我不想搞建筑，我想做一名物理学家。
”小朱棣文说。
“学物理学是很难生存的，”父亲严肃地说，“这个工作又苦又累，收入也不高。
我不希望你走这条路。
”“不，爸爸。
我喜欢学物理，我管不了那么多。
朱棣文 毛概诺贝尔奖专题
1997年获诺贝尔物： 未来并非在劫难逃
朱棣文2009年哈佛大学演讲： 未来并非在劫难逃
朱棣文2009年哈佛大学演讲： 未来并非在劫难逃
朱棣文2009年哈佛大学演讲： 未来并非在劫难逃
• 1987年到1992年间，他在斯坦福大学实 验室制造出了接近绝对零度的低温，减 慢原子速度，而被誉为“能抓住原子 ” 的人，凭借这项创举朱棣文获得了1997 年的诺贝尔物理学奖。 • 诺奖为朱棣文带来了全球声誉，在斯坦 福修建了世界上第一个Bio-X实验室， 这也是目前世界上最先进的Bio-X实验 室
朱棣文
——华人诺奖
英语二班毛新钰
人物生平
朱棣文（Steven Chu），1948年 2月28日生于美国密苏里州圣路 易斯，祖籍江苏太仓。美国第 12任能源部部长 、1997年诺贝 尔物理学奖获得者 、现任斯坦 福大学物理学教授。
• 朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致 冷捕捉技术研究，这项研究为帮助人类了解 放射线与物质之间的相互作用，特别是深入 理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道 路。 • 1983年开始原子冷却技术的研究，发展了用 激光冷却和捕获原子的方法 • 1985年发表第一篇学术论文 。
物理学家：朱棣文
朱棣文生平简介科学成就趣闻轶事一、生平简介朱棣文（1948～今）美籍华裔物理学家，祖籍江苏太仓。
1948年生于美国密苏里州的圣路易斯，其父朱汝瑾博士为台湾中同研究院院士。
朱棣文于1976年毕业于美国加州大学伯克利分校，获物理学博士学位，并留校做了两年博士后研究，后加入贝尔实验室，1983年任贝尔实验室量子电子学研究部主任。
1987年应聘斯坦福大学物理学教授，1990年任斯坦福大学物理系主任至今。
现年50岁。
二、科学成就朱棣文教授是1997年度诺贝物理学奖获得者之一，他发展了用激光冷却和捕获原子的方法。
这个领域的贡献意味着在理论和实践方面都出现了突破，并导致人们对光和物质之间的相互作用有了更深的理解，新近的成果是首次在稀薄原子气体中观察到了玻色——爱因斯坦凝聚和研制出了第一台雏形的原子激光器。
朱棣文教授从1983年开始致力于“冷却原子”的研究工作。
1993年获费萨尔国王国际科学奖，同年被选为美国科学院院士。
朱棣文教授是第五位获得诺贝尔奖的华裔科学家。
三、趣闻轶事既是诺贝尔物理奖获得者，又是中国菜的烹饪师朱棣文从小受到儒家文化的熏陶和培养，从父母那里学会了刻苦、勤劳和谦逊的精神和品德，并不宽裕的生活环境也造就了他不屈不挠的坚强性格，中学毕业，他进入美国知名学府、也是华裔较多的加州伯克利大学深造，1976年在伯克利大学获得博士学位，担任了斯坦福大学教授的朱棣文，工作生活十分繁忙，精力充沛，他带着8个博士生，指导两个博士后，每年还给硕士研究生开两门课，还要从事自己的原子物理学研究；他是一个兴趣广泛的人，爱好打网球、游泳和骑自行车，还喜欢烹饪，并烧得一手好中国菜，他一天工作十几个小时，他的博士生金政说“我觉得朱教授活得并不累，因为他太爱物理学了”！1997年6月，朱棣文教授同杨振宁、丁肇中、江崎玲等世界著名科学家来到北京清华园，出席清华大学高等研究中心成立大会暨21世纪科学展望研讨会；朱教授作了主题报告；会后受到国家主席江泽民的亲切接见。
激光冷却技术 Laser Refrigeration Technique
※
3.光具有动量
光子一般来说是没有质量的，但是与其它实 物粒子一样，具有动量。当一个原子吸收一份 电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了 一定的动量。光的动量与光的波长成反比，方
向与光的传播方向相一致。
※
４.其他
此外， 激光的高度单色性 可调激光技术 也很重要。
激光冷却的原理——综述
特点： 方向性好
能量集中
单色性好 相干性好
由于具有以上优异特性，激光很快应用于各种技术领域。
激光有什么用途？
激光在通讯上的应用
把激光作为信息载体，实现通讯的一种方式。 它包括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通 信和水下激光通信等多种方式。 激光通信具有信息容量大、传送线路多，保密性强、 可传送距离较远，设备轻便、费用经济等优点。
这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移，其效 果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子， 并被推回到六束激里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成 了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组 成了“光学粘胶”，使原子陷入其中从而不断降低速度。
（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。）
因此，怎样达到如此低的温度呢？----激光冷却恰好解决了这 个问题，即在激光的作用下使原子减速。 BACK
link----1997诺贝尔物理学奖
I. 激光冷却实验
• •
1985年朱棣文和他的同事在贝尔实验室用两两相对，沿 三个正交方向的六束激光使原子减速。 真空中的一束钠原子被迎面而来的激光束阻止下来 将钠原子引进六束激光的交汇处。
link----1997诺贝尔物理学奖
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。
朱棣文
加州大学伯克利分校获 物理士学位
朱棣文（1948年2月28日），美国华裔物理学家，祖籍 江苏太仓，生于美国圣路易斯；因“发展了用雷射冷却和 捕获原子的方法”而获得1997年诺贝尔物理学奖。前任美 国能源部部长。2013年2月1日宣布即将离职，但将留任至 续任者获得同意上任为止。
/w_19rrcwlweh.html /u52/v_NDUyMTEzNjE.html
诺贝尔物理学奖获得者 美国华裔的朱棣文
• • • •
简介
–
朱棣文（英语：Steven Chu，1948年2月28日－），美国 华裔物理学家，祖籍江苏太仓，生于美国圣路易斯；因“发展了 用雷射冷却和捕获原子的方法”而获得1997年诺贝尔物理学奖。 前任美国能源部部长。2013年2月1日宣布即将离职，但将留任至 续任者获得同意上任为止。
朱棣文生平
朱棣文出生在美国的密苏里州圣路易斯，毕业于Garden City高中。他 1970年于罗切斯特大学获学士学位，1976年于加州大学伯克利分校获物理 学博士学位，在这期间，他获得国家科学基金会博士预备生奖学金。2011 年，获得纽约大学理工学院工学荣誉博士学位。
出生在美国的密苏 里州圣路易斯
发展了用雷射冷却和 捕获原子的方法
获得1997年诺贝尔物 理学奖
任美国能源部部长
朱棣文的家庭
• 父亲朱汝瑾，1940年毕业于国立清华大学化学工程系，1943年到美 国就读麻省理工学院，1946年获博士学位后定居美国。 • 母亲李静贞，1945年毕业于国立清华大学经济学系，麻省理工学院工 商管理硕士。著名水利学家李书田之女。 • 哥哥朱筑文，斯坦福大学医学院教授。 • 弟弟朱钦文，律师事务所合伙人。 • 妻 简· 朱，英国物理学家，生于英国威尔斯，任斯坦福大学助理校长 兼招生办主任。 • 与前妻（Lisa Chu-Thielbar）育有两子：Geoffrey和Michael。
激光冷却发展历程
激光冷却发展历程激光冷却技术是一种基于量子物理原理的冷却方法，可以将物质冷却到极低的温度。
激光冷却的发展历程可以追溯到20世纪70年代，以下是其中的几个重要阶段：1. 创世纪：1975年，美国物理学家艾萨克·郎格文（Isaac Lagnwen）首次提出了利用光子的动能将原子或分子冷却到低温的想法。
然而，当时还没有找到合适的激光波长和功率来实现这一目标。
2. Doppler冷却：1985年，美国物理学家史蒂文·楚朗盖（Steven Chu）和克洛德·科文霍文（Claude Cohen-Tannoudji）以及德国物理学家威廉·菲利普斯（William Phillips）独立地提出了利用多普勒效应实现激光冷却的方法。
他们使用了三种激光，通过频率蓝移和频率红移来减慢和冷却原子。
这项突破性工作于1997年获得诺贝尔物理学奖。
3. Zeeman冷却：1995年，美国物理学家艾瑞克·考尔维拉（Eric Cornell）和卡尔·魏曼德（Carl Wieman）成功地利用Zeeman效应实现了激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚。
他们将铷原子放置在磁场中，然后用激光冷却原子。
这项重要的突破为量子物理研究和凝聚态物理的发展打开了新的大门，并于2001年获得诺贝尔物理学奖。
4. Fermi冷却：1999年，兰德尔·赫布斯（Randall Hulet）和约翰·托马斯（John Thomas）的团队成功地在锂原子中利用Fermi统计实现了激光冷却。
这为研究低温物理学和量子气体提供了新的途径。
5. 拓展到更多元素：随着技术的不断发展，激光冷却逐渐被拓展到更多元素和化合物，包括氢、氮、铯、锶等。
同时，不同的激光冷却方法也相继涌现，如磁光陷阱冷却、声光冷却等。
总的来说，激光冷却技术经过了多个重要的阶段，从最初的概念提出到实验验证，再到扩展到更多元素和化合物。
【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。
历年诺贝尔物理学奖
历年诺贝尔物理学奖1、1901年：威尔姆·康拉德·伦琴（德国）发现X射线2、1902年：亨德瑞克·安图恩·洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究3、1903年：安东尼·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）9、1909年：伽利尔摩·马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究，特别是发现理查森定律10、1910年：范德华（荷兰）关于气态和液态方程的研究11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置13、1913年：卡末林－昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦14、1914年：马克斯·凡·劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象15、1915年：威廉·亨利·布拉格、威廉·劳伦斯·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究16、1916年：未颁奖17、1917年：查尔斯·格洛弗·巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性18、1918年：马克斯·卡尔·欧内斯特·路德维希·普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性21、1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现22、1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究23、1923年：罗伯特·安德鲁·密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室，能显示出电子穿过空气的径迹28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象，并提出理查森定律29、1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应31、1931年：未颁奖32、1932年：维尔纳·海森伯（德国）在量子力学方面的贡献33、1933年：埃尔温·薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论34、1934年：未颁奖35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象38、1938年：恩利克·费米（意大利）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应39、1939年：欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素40、1940—1942年：未颁奖41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法43、1945年：沃尔夫冈·E·泡利（奥地利）发现泡利不相容原理44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究，发现阿普顿层（电离层）46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法，并发现π介子49、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜52、1954年：马克斯·玻恩（英国）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法，用以研究原子核反应和γ射线53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究55、1957年：李政道、杨振宁（美籍华人）发现弱相互作用下宇称不守衡，从而导致有关基本粒子的重大发现56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应57、1959年：塞格雷、欧文·张伯伦(OwenChamberlain)（美国）发现反质子58、1960年：格拉塞（美国）发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费因曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献，特别是关于恒星能源的发现66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应72、1974年：马丁·赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星73、1975年：阿格·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系提出核结构理论74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射77、1979年：谢尔登·李·格拉肖、史蒂文·温伯格（美国）、阿布杜斯·萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献，并预言弱中性流的存在78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒79、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论，阐明相变临界现象81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限，对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究82、1984年：卡洛·鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W和Z粒子的实验成为可能83、1985年：冯·克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现中微子，从而证明了轻子的对偶结构87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在89、1991年：皮埃尔·吉勒德－热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星，由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法96、1998年：劳克林、霍斯特·路德维希·施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路99、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔·E·维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就。
Laser cooling and trapping of atoms
Laser cooling and trapping of atoms激光冷却和囚禁原子原子是物质世界中基本粒子之一，尽管它们非常微小，但它们在许多科学和技术领域中发挥着重要作用。
在这篇文章中，我将介绍激光冷却和囚禁原子的技术，这是一项重要的实验技术，它鼓励了物理学家、化学家、生物学家和工程师对原子行为的深入探索，并在几个领域创造了新的机会。
原子速度和温度在开始了解激光冷却和囚禁原子之前，我们必须先了解原子速度和温度。
在常见的环境下，原子具有足够高的速度，以至于它们非常难以控制或观察。
例如，空气中的氮分子的平均速度约为1000米/秒。
虽然单个原子的速度通常比氮分子的速度低得多，但仍然很高。
这使得原子在实验室中难以控制。
温度是描述物质热状态的物理量。
它通常用开尔文（K）作为单位。
在常见的实验室温度下，例如300 K，在经典物理学中，原子具有广泛的速度和位置分布。
这使得研究它们的微观行为非常困难。
激光冷却1985年，斯蒂文·楚（Steven Chu）和克劳德·科恩-图吉（Claude Cohen-Tannoudji）独立地证明了冷却原子的实验方法。
他们使用激光的特殊制备技术来冷却原子的速度，这样可以控制和观察它们的行为。
激光冷却的思路很简单：原子具有动量，通过发射和吸收光子，原子的动量可以改变。
如果向原子发射红外光，当原子向光的源头移动时，它会吸收光子并向后反弹，减小了动量。
而原子远离光源时，它会发射光子并获得速度增加。
但是，这个方法有一个限制：它只能在原子运动速度比激光的中心频率低的时候有效。
因此，在实验中，科学家首先使用激光将原子限制在一个非常小的区域内，这个区域内的原子速度分布必须比激光的线宽小几个数量级。
这是通过通过多维波束入射的角度，来调整激光照射原子的几何形状来实现的，这个区域就是“捕获原子”的区域。
使用这个技术，科学家已经成功地将铷原子冷却到接近绝对零度-273.15℃（0 K）。
【历届诺贝尔奖得主(九)】1997年物理学奖2
同时他在行政管理上亦有相当经验，曾在斯坦福大学领导物理学系，又曾在贝尔实验室领导电子化研究工作。
自2004年起，他出任劳伦斯·伯克利国家实验室的负责人，该实验室每年预算规模6.5亿美元，辖下有4000名员工。
致力于环保工作朱棣文在职业生涯中一直致力于环保工作。
掌管劳伦斯·伯克利实验室后，朱棣文即把研究重点转到新型的生化能源、人工光合作用和太阳能等一系列“绿色工程”上。
此外，他还大力提倡政府引进措施，减少排放温室气体。
对于把环保理念引进家庭生活，朱棣文曾说每户国民只需投资1000美元成本就可提升能源效益，可惜的是民众多宁愿把钱花在花岗石的厨台上。
去年夏天，朱棣文在美国拉斯维加斯举行的全国清洁能源会议上说，除非能源工作由专业人士而非说客承担，否则提高能源利用效率、降低能源使用成本的目标将难以实现。
朱棣文是继1957年的杨振宁、李政道，1976年的丁肇中和11年前的李远哲之后，第五位获诺贝尔奖的华裔科学家。
在他之后，还有两位华人——普林斯顿大学教授崔琦和英美双国籍华裔高锟又获诺贝尔物理学奖。
七位华裔获奖人中，除李远哲和钱永健为诺贝尔化学奖外，其余皆是物理奖。
年表朱棣文1948年2月28日，出生于美国密苏里州的圣路易市，祖籍中国江苏省太仓县(今太仓市)朱棣文1968年获颁罗彻斯特大学斯托达数学奖1970年罗彻斯特大学斯托达物理奖及伍德罗?威尔逊奖学金1970-1974年获颁国家科学基金会博士预备生奖学金1976-1978年在加州大学伯克利分校做博士后研究1977-1978年获颁国家科学基金会博士后奖学金1978年担任美国物理学会理事1978-1983年担任电磁现象研究贝尔实验室研究人员1983-1987年担任美国电话、电报公司贝尔实验室量子电子学研究部主任1987年获颁美国物理学会在激光光谱领域的布洛依达奖1987年担任斯坦福大学物理和应用物理教授迄今1987-1988年担任哈佛大学莫里斯洛伯讲师1989年担任实验天体物理联合研究所特邀访问学者1990年担任美国光学学会理事及法国学院访问教授1990年受邀美国物理学会和美国物理教师学会的理直脱迈耶纪念奖讲演1990-1993年担任斯坦福大学物理系主任1992年担任美国艺术和科学院院士1993年获颁费塞尔国王国际科学奖及担任美国国家科学院院士1994年获颁美国物理学会在激光科学领域的亚瑟萧洛奖及美国光学学会的威廉梅格斯奖1997年朱棣文因“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。
朱棣文诺贝尔演讲稿
文章编号:100021506(2003)0520098213中性粒子的控制朱 棣 文编者按:朱棣文教授祖籍江苏省太仓市,生长在美国,现任美国斯坦福大学物理系教授.因发现“激光制冷与原子捕陷”原理,获1997年诺贝尔物理奖.由于北京交通大学理学院的李剑君老师从事科技史人物传记与物理部分的研究,并与陈子丰撰写了《厚积薄发———朱棣文的科学风采》一书,有幸与朱棣文教授建立了联系.在2002年,朱棣文教授亲自将他的诺贝尔演讲稿等资料交给李剑君,并授权使用这些资料.《中性粒子的控制》为朱棣文教授诺贝尔颁奖仪式上所作演讲的文本.正如作者所言,是回顾作者和作者的同事们是怎样开辟研究道路的演讲.文章从激光冷却、原子捕陷以及相关发现在其它学科的应用,阐明了现代科学发现的研究发展脉络.证明一个现代科学的重大发现,是由众多不同专长的科学家互相交流、合作的结果.本文的重点是围绕作者研究工作的过程展开,并阐述了这一重大成果的应用前景,从严格意义上说,本文不属于学术论文,但其研究问题的方法具有普遍意义值得我们借鉴.在李剑君的组织下,在北京交通大学理学院佘守宪教授的指导与帮助下,已将这篇演讲稿的英文文本由范玲等人译成中文,以特稿的形式发表.由于篇幅的限制,在不影响读者理解的情况下,编辑删除了文中的一些插图和全部参考文献,并在小标题前加上序号.本文是我对激光冷却和原子捕陷的发现过程的个人回顾.我在本文中不打算面面俱到地介绍该这一领域的发展历史,而只是回顾我和我的同事们是怎样开辟我们的研究道路的.我在加州大学伯克利分校度过了研究生和博士后的学习研究阶段,和Eugene Commins 教授一起做原子物理中的宇称不守恒实验.之后我于1978年秋天加入贝尔实验室.贝尔实验室是研究人员的伊甸园.管理层为我们提供科研经费,并保护我们免受官僚作风之害,激励我们尽可能做出最好的科学工作.狭小的实验室和办公空间使我们彼此亲密无间.研讨会常常被突发的讨论所打断,有时候,自助餐厅中的闲聊可能标志着一个新的合作开始了.在贝尔实验室的头几年,我写了一篇关于X 射线显微镜前景的内部报告,并和Hyatt G ibbs 、Sam Mc 2Call 一起,研究红宝石里的能量转移,这是研究安德森(Anderson )定域化(localizaton )的方法之一.这项工作导致我们考虑是否可能采用皮秒激光技术,在其它激子系统(如G aP :N )中实现Mott 或Anderson 跃迁.在进行这项工作时,我偶然发现皮秒脉冲是以群速传输的(甚至当群速可能超过光速或变为负值时).在学习有关激子和如何设计皮秒激光器时,我开始和Allan Mills 一起工作,他是正电子和电子偶素(positronium )方面的世界级专家.当我还在伯克利时,我们已开始讨论合作的可能性,但直到1979年还没有真正开始实验.经过漫长而受挫折的3年之后,以贝尔实验室的标准,这可是相当漫长的时间,我们终于成功地激发并测量了正电子素1S -2S 的能级间隔.1 在H olmdel 准备做激光冷却的阶段1983年秋天,我从新泽西州的Murray Hill 转到贝尔实验室的Holmdel 分部,任量子电子学研究部主任,这激励我投入到激光冷却捕陷原子的研究中.在和同事Art Ashkin 的交谈中,我第一次听到他想用光捕获原子的梦想.他发现我听得非常认真,就给我提供了一些复印资料.那年秋天,我新招了博士后Leo Hollberg ,正计划设计一个基于皮秒激光实现原子束阈值离子化的电子能量损耗谱仪.我们希望改进它的收稿日期:2003208227作者简介:朱棣文(1948—),男,江苏太仓人,教授,博士,美国国家科学院院士.第27卷第5期2003年10月 北 方 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF NORTHERN J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.27No.5Oct.2003能量分辨率,至少比已有的谱仪提高一个数量级,然后用它来研究原子表面吸附的光学分辨率和电子灵敏度.Leo 以前研习过原子物理,也对用光控制原子的可能性发生了兴趣.Leo 和我决定去麻萨诸塞州,参加由麻省理工学院的David Pritchard 组织的有关离子原子捕陷的专题讨论会.我对该专题是门外汉,缺乏基本的直觉,而直觉对在某个领域中提出新见解是非常重要的.例如,我发现自己弄不清楚“偶极力”的色散特性.当光波频率低于共振频率时,偶极力是吸引力;当光波频率高于共振频率时,偶极力是排斥力;当光波频率和原子共振频率相等时,偶极力消失.使我困惑的是,我竟然花费了相当长的时间才认识到一年级的大学物理知识就可以解释的这些效应.回顾这些早期的摸索过程真令我汗颜.另外,我发现,在缺乏直觉方面并不是我一个人.我曾向贝尔实验室的一个同事问及这些效应,他回答说:“只有Jim G ordon 才真正理解偶极力!”到1980年,光对物质的作用力已经得到了很好的解释.麦克斯韦(Maxwell.1897年)计算了光的动量通量密度,列别捷夫(Lebedev ,1901年)及Nichols 和Hull (1903年)在实验室观察到了作用于宏观物体上的光压,这些工作首次定量地解释了光如何在物体上施加力的作用.爱因斯坦(1917年)指出了这种力的量子特性:原子吸收一个能量为hν的光子时,在沿入射光子方向上获得动量P in .如果原子辐射的光子动量为P out ,则原子向相反方向发生反冲.由于这种非相干散射过程,原子的净动量改变为ΔP atom =P in -P out .1930年,Frisch 观察到钠光作用下的原子束偏转,其平均动量改变是由单光子的散射引起的.由于散射光子没有优先的方向,动量改变净效果取决于所吸收的光子,因此散射力为F scatt =N P in ,其中N 为每秒钟散射的光子数.强共振谱线激光激发的原子,其散射率一般能达到每秒107到108量级.例如,一个钠原子每吸收一个光子速度改变为3cm/s.散射力可以达到地球表面重力加速度的105倍,与带电粒子所受的电磁力相比是微弱的,但比任何一种影响中性粒子的其它长程力大.有另一种力由光子的透镜化(即:相干散射)引起.透镜会改变光场的动量分布,根据牛顿第三定律,透镜必然受到和光场动量变化率大小相等方向相反的反作用力.例如,一个正透镜将被拉向光强大的区域.对于原子情况,透镜化的大小可以将入射光场振幅和偶极场相加得到,其中偶极场是靠原子中由入射场推动的电子激发的(见图1).图1 Ashkin 所用的第1个粒子陷阱示意图(原图2)这种反作用力也称为“偶极力”.光的电场E 振动在粒子上引起偶极矩p .如果偶极矩和E 相位相同,在高场强区域相互作用能-p ・E 较小;如果偶极矩和电场E 相位不同,在电场中粒子的能量增大,将会受到力的作用离开该区域.如果将原子或粒子看作一个阻尼谐振子,偶极力的符号改变则更容易理解.当驱动频率低于其固有共振频率时,谐振子和驱动场相位相同;而驱动频率高于其固有共振频率时,谐振子和驱动场相位不同.恰好共振时,相位相差90°,即p ・E =0.Askar ’yan (1962年)首先讨论了等离子体和中性原子的偶极力.利用这种力捕陷原子的可能性由Letokhov (1968年)提出.他指出原子有可能沿一个方向被限制在远离原子跃迁的光波驻波的波节或波腹处.1970年,Arthur Ashkin 利用两束方向相反的聚焦激光束成功地捕陷了微米量级的粒子.之后Ashkin (1980年)还提出了其它形式的稳定粒子陷阱,1978年他第一次提出三维原子陷阱.同年,他和John Bjorkholm 、Richard Freeman 用聚焦的激光束将一束原子聚焦,证实了偶极力理论.尽管取得如此进展,两个主要问题导致贝尔实验室的原子捕陷实验工作在1年后停止了.第一,由强激光束聚焦产生的捕获力非常微弱.室温下原子平均能量为32k B T ～12m v 2,大于陷阱所能限制的量级.通量足够大的冷原子源并不存在,需要一个大体积的陷阱来使捕陷的原子数取极大值.第二,由方向相反的激光束构成较大体积的光学陷阱存在严重的发热问题.一个原子能够从一束激光中吸收一个光子,反向光束中的另一个光子能使原子受激回到初态.在这一过程中,原子接受到同向的两个光子脉冲.但同一原子也有可能被相反方向的两束光激发,引起其它方向的净脉冲.由于吸收和受激辐射的顺序是随机的,这个过程将增大原子的随机速度,使陷阱迅速发热升温而逸出陷阱.Jim G ordon 和Ashkin 对两能级原子的加热效应进行了严格计算(Jim G ordon 和Ashkin ,1980).99第5期 朱棣文:中性粒子的控制2 投身到激光冷却研究我对改进陷阱问题的最初想法很简单,但这使我开始认真考虑起捕陷原子的问题.我提出将钠原子沉积在稀有气体氖基体中,制造一个冷原子源(1984).用脉冲激光加热支撑原子基体的低温表面,有可能喷发出只有几十K的氖和钠的蒸气.一旦有蒸气出来,一部分钠将变成孤立原子,喷发源会包含满足麦克斯韦-玻耳兹曼分布的原子,其中包含速度非常慢的原子.在普通原子束中,速度最慢的原子被速度较快的原子超过并从路径中撞开.在喷发源中,表面被加热和冷却得很快,速度很快的原子将不复出现.另一个好处是原子源可以迅速而完全地关闭,由于捕陷的是少数几个原子,这就使我们有可能探测它们.我从一个感兴趣的旁观者变成一个参与者之后,不久就意识到,捕陷原子的途径是用反向传播的激光光束进行冷却.如果激光束的频率调谐到低于原子共振频率,由于多普勒效应,当原子运动方向和激光束反向时,频率增加接近共振,当原子运动方向和激光束同向时,频率减小远离共振.这样,经过两束激光的多次冲量作用后,原子将获得一个和运动方向反向的净作用力.原子运动足够慢时,由于多普勒效应吸收光子的频移和速度成线性关系,净作用力为粘滞阻尼力F=-αν.这一巧妙的思想由H¨a nsch和Schawlow 在1975年提出.相关的冷却方案由Wineland和Dehmelt在同一年提出.令不加热时的冷却速率等于不冷却时的加热速率,ΔW加热/d t=ΔW冷却/d t=-F/v可得到平衡温度的估计值.加热速率是由于原子受到周围反向传播光束中散射光子的随机碰撞的结果(Wineland和I2 tano,1979;G ordon和Ashkin,1980).动量空间中动量按随机移动的方式增加,因此随机动量平均值P增加的速率为d W加热d t=dd tp22M=N(p2r)2M,其中,p r为每个光子的反冲动量,N为每秒发生反冲的光子数.让冷却速率和加热速率相等,可算得平衡温度为激光强度、跃迁线宽和激光相对共振失谐量的函数.当光强较小时,共振失谐量为Δν=Γ/2,而多普勒频移有最大值,此时平衡温度有最小值为k B T min=∂Γ/2,其中,Γ为跃迁线宽.当光强很小时,激光束相互独立,因而两束反向光束间受激跃迁所引起复杂的加热效应可以忽略.光不仅可以冷却原子,还能将原子限制在一定区域.激光冷却的机制类似于浸在水中灰尘颗粒的布朗运动.灰尘颗粒受到粘滞力的作用,在空间一定区域中停留的时间可利用基础物理知识估计出来:经过Δt 时间后,位移平方的平均值〈x2〉可由随机游动得到〈x2〉=2Dt,其中扩散常数D由爱因斯坦关系式D= k B T/α给出.若原子的运动速度为v满足k・v<Γ,则受到的粘滞力为F=-αv.用分别沿正负x・y・z 方向传播的6束激光围绕原子,则形成类似于特殊粘性液体的光子海:光学粘胶.如果光强足够小,原子将很快冷却到温度T min.一旦冷却后,原子将停留在厘米大小的区域内几分之一秒.这样,Leo和我搁置了设计光谱仪的计划,将精力转向制备光学粘胶的工作.我们很快建成了光学粘胶所需的钠喷发源.为简化起见,我们先制造了一个室温加热的钠靶丸.为避开处理稀有气体基体的复杂情况,Leo和我决定在进行光学粘胶实验之前,先将喷发源的原子减速,以增加冷却原子数.已有一些用激光使原子束减速的前期实验,但钠原子在进入原子陷阱之前必须减速到200～300cm/s的量级(基本停止).在1984年底,有两个小组获得了里程碑式的成功:一个是由Bill Phillips领导的国家标准局马里兰州G aithersburg分部,采用锥形磁场的方法(Prodan等,1985);另一个是由Jan Hall领导的国家标准局科罗拉多州Boulder分部(Ertmer等,1985).我们决定照搬Ertmer等的方法,采用电光发生器以产生频移边带.频移光束的方向面对钠表面发射的原子,当原子速度减慢时,改变光束频率以使光和多普勒频移的原子保持共振.Leo在电子学方面比我更擅长,负责项目中的无线电频率部分.我则着手制造一个宽带传输线光电调制器.在贝尔实验室工作的好处之一是在实验室中就能找到所需要的专家顾问.Holmdel贝尔实验室的光电调制器的研发在20世纪60年代就处于领先水平,到1983年我们依然是该领域的领头羊.通过阅读我的同事Ivan Kaminow(1974)的专著,我学习了如何制造光电调制器.我请Larry Buhl对调制器用的Li TaO3晶体进行切割和抛光.Rod Alferness传授我有关微波阻抗匹配的知识,还给我提供了SMA发射器,用以将我的平板传输线调制器和Leo的电子部分相匹配.在决定用调频激光束进行原子预冷却的这一001北 方 交 通 大 学 学 报 第27卷方案一个月之后,我们拥有了一个可调式宽带GHz 光电调制器和驱动器,能够开始将喷发源的原子进行预冷却.在1984年早春,Leo 和我开始实验时,我们只有一个光秃秃的光学平台,没有真空室,也没有调制器.后来,John Bjorkholm 也加入我们的实验,他以前从事用聚焦原子束论证偶极力的工作.春末夏初时,我又聘请了刚从Rutgers 毕业的Alex Cable.他的正式身份是我的技术员,私底下是我的研究生.不到1年我们就发表了光学粘胶的论文(Chu ,Holberg ,等1985).两篇拦截原子束的报告(Ertmer 等1985;Pordan 等1985)也于之前1个月发表.我们实现光学粘胶的装置,有一个超高真空室,但不想花很长的烘干时间来达到高真空.因此做了一个涂敷有胶体石墨的冷却套.当冷却到液氮温度时,冷却套就是一个很有效的吸收泵:可以将真空室打开,而第二天又可以继续工作.快速的检修时间对我来说非常重要.既然错误在所难免,我总是希望一个仪器能够尽快地被修好.最初被光学粘胶捕陷的原子其停留时间有几十ms ,但不久就将停留时间提高了一个数量级.令人惊奇的是,在实现光学粘胶一个星期之后,我们就可以不借助于光电倍增管,而直接用眼睛观察真空室了,这使我们大受鼓舞.在上述早期工作中,我们使激光束尽量按照相向传播的方向排列.1年后,偶然发现,方向错开的光束使停留时间大大地增加了.这种光束排列方式即所谓“超级光学粘胶”,将原子在空间停留线度从最初的1cm 压缩到2mm.我们无法解释该现象,经过若干次实验后,将结果发表在一篇简短的会议文章中(Chu ,Prentiss 等1988;Shevy ,Weiss 和Chu ,1989).在早期的光学粘胶工作中,我们意识到,测量原子共振线的多普勒展宽这种传统的测温方法,不适用于我们希望获得的温度.因而我们采用飞行时间法直接测量原子的速度分布.当原子在光学粘胶中达到平衡态之后,将激光束关闭一段时间.这时速度大的原子逃逸掉,而速度小的原子重新被光学粘胶捕获.这种方法可直接测量速度分布.我们开始测到的温度是185μK ,比多普勒冷却理论的极限温度还稍低一些.那时我们犯了个基本错误:没有听从自然的召唤,而是过多地受到理论期望值的影响.我们臆造了一个有关原子填充光学粘胶方式的因子,使实验结果和期望值吻合.3 光学捕陷的研究有了光学粘胶之后,我们开始探索各种方法实现我们最初的目标———光学方法实现原子捕陷.在我们有关光学粘胶的文章发表之前两星期,Bill Phillips 及其同事已经报告了用磁阱捕获钠原子(Migdal 等,1985).虽然在我们首次实验中,原子在光学粘胶中的停留时间已达到0.36s ,但光学粘胶并不能提供一个将原子推回陷阱中心的回复力.尽管已拥有一个很好的冷原子源,我们仍不清楚如何实现原子捕陷.这是因为:①由于所谓“光学Earnshaw 定理”的非捕陷定理存在,严格基于散射力的光学陷阱似乎是不成立的.在研究用散射力实现原子陷阱的早期方案中曾提出这一定理(Ashkin 和G ordon ,1983).②我们认为由于强烈的受激热效应,由相向激光束形成的陷阱不能持续存在.③最后,由于陷阱容积太小,我们放弃了单聚焦激光束.在光学粘胶实验完成后不久,我们尝试实现一种由Ashkin (1984)提出的大容积交流光阱.实验失败了,几个月之后,我们开始试验一些替换方案.其中有一个是我们在1984年12月的某次会议中提出的另一种交流阱(Chu ,Bjorkholm ,Ashkin ,Hollberg 和Cable 1985),我们希望找到更简单的方案.在1986年的某个冬日,我们开会讨论下一步工作.John Bjorkholm 重新提起Ashkin 在1978年的论文中首先提出的单聚焦光束陷阱方案.我立刻表示反对,该陷阱容积太小.一个约1W 的激光器聚焦以产生一个体积为10-7cm 3约5m K 的深陷阱.光学粘胶中的原子密度为每立方厘米中有106个原子,如果陷阱周围的光学粘胶中有106个原子,则陷阱中捕获的原子数还不到一个.整个研究小组被我说服了,同意单聚焦光束的陷阱不能实现.过了一两天,我突然意识到,能够被陷阱捕获的原子数将远远大于我最初的估计值.靠近陷阱的一个原子可能不会马上被捕获,但在光学粘胶之中做随机运动的过程中该原子将有多次机会落入陷阱内.这种陷阱果然实现了.我们可亲眼看到原子随机运动落入陷阱的现象.当落入陷阱中的原子比较多时,微小光点的亮度就增强.陷阱成功实现的那几天,我在大楼里跑上跑下,把人们拖进实验室共享我们的101第5期 朱棣文:中性粒子的控制兴奋心情.我的导师Chuck Shank 表现了礼貌性的热情,但我不敢肯定在真空室窗口的反光和四周的荧光中他是否辨认得出真正信号.在我们陷阱成功后不久,Art Ashkin 患流感病倒了.他后来告诉我:当他发烧卧床时曾经怀疑过我们陷阱实现是不是他发烧时的想象.我们希望将小光斑成像到光电倍增管,但极小的装配误差也会将周围光学粘胶中的杂光带入.我们能够亲眼看到原子,但用光电倍增管却得不到重复信号,这真令我们感到沮丧.后来我突发灵感:如果我们能够用眼睛看到信号,那我们也应该能够用摄像机把它记录下来,然后对录像带进行分析.一个当地的RCA 代表,对这个实验很感兴趣,借给我们一个硅增强型摄像机.我们将原子捕获的文章包括捕获原子的静态照片发表在Physical Review Letters 上(Chu ,Bjorkholm ,Ashkin 和Cable ,1986).当原子捕陷的研究开始进行时,Art 想要用单聚焦激光束捕获微米量级的玻璃粒子,作为原子捕陷规律的证明.他不是用光学粘胶,而是将一个硅小球放在水中.微米量级的小球比原子更易极化,Ashkin 认为,如果将小微粒拉向光束焦点的轴向光强梯度能够大于将微粒推出陷阱外的散射力,则可在室温将其捕陷.这种大型的光镊很快就实现了,也使我们对原子阱的可行性更加充满信心(Ashkin ,Dziedzic ,Bjorkholm 和Chu ,1986).那时,我们谁也没有意识到这种玩具似的简单实验会有重要意义.在我们实现光阱后不久,我聘请了Mare Prentiss 成为本部门新的一员.她和我们一起进行超级光学粘胶的研究,这时我接到了Dave Pritchard 从麻省理工学院打来的电话.他告诉我,他和学生Eric Raab 研究散射力陷阱而且可以避开光学Earnshaw 定理(Ashkin 和G ordon ,1983).这个定理表明倘若散射力F scatt 和激光光强Ι成正比,则散射力陷阱不可能实现.证明很简单: ・F scatt =0,空间任何区域流入的净能流和流出的净能流相等.因此所有散射力作用线F scatt 指向稳定陷阱点的空间区域不可能存在.Pritchard 、Carl Wieman 和他们的同事指出F scatt ∝I 的假设并不是必须的(Pritchard ,Raab ,等1986).他们接着提出了能够产生稳定光阱的外部电磁场的可能组合.Raab 在M IT 实现散射力陷阱的工作中曾遇到很多困难,在放弃之前,问我们是否有兴趣合作.基本思路如图2所示,图2中相应于基态F =1,激发态F =2的一个原子的情况,这里F 是角动量量子数.一个球型弱四极阱磁场能使由反向传播的圆偏振激光束照明的多能级原子的塞曼子能级发生分裂.由于微弱的塞曼移动,陷阱中心右侧的原子被光束优先光泵到m F =-1能级,一旦到达这个能级,对σ-光和σ+光束散射率的之差使原子受到指向陷阱中心的净散射力.左边的原子将从σ+光中散射更多的光子.既然激光束调谐为低于所有的塞曼分裂共振线,光学粘胶冷却仍然可以发生.该结论可直接推广到三维情况.图2 原子的磁光陷阱(原图5a )要检验上述的想法所需要的只不过是在我们的装置中插入一对磁场线圈.我将一些冷却管绕成磁场线圈,但此时却不得不分身去帮Allan Mills ,K en Nagamine 及其合作者进行介子素的光谱实验,这是我早先答应他们的.几天后,光学粘胶装置又启动了,我在日本的介子研究室接到了Alex 的电话,他兴奋得声音发颤.陷阱运行得非常好,和我们的偶极阱相比,原子云发出了令人眩目的光芒.我们原来的第一个陷阱只能捕获不到1000个原子,而他们捕获的原子达到107到108量级(Raab 等,1987).最初的陷阱理论是由Claude Cohen 2Tannoudji 的学生Jean Dalibard 提出的.Dave Pritchard 在一次讲话中谈到如何避开Earnshaw 定理,这启发了Jean Dalibard 提出陷阱理论.我在巴黎打电话给Jean ,告诉他我们的文章中将出现他的名字.Jean 既高兴又谦逊,他感到署名为合作者对他不合适,因为他并没有参加任何工作.磁光阱(简称MO T )立刻激起了不断增大的从事冷却和捕陷工作的研究组的巨大兴趣.Carl Wieman201北 方 交 通 大 学 学 报 第27卷的小组发现原子可直接从稀薄气体中装入陷阱,而不需要原子束减速的中间过程(Monroe 等,1990).增大陷阱所使用的激光束,Kurt G ibble 和我发现所捕获的原子数可以达到4×1010量级(G ibble ,Kasapi 和Chu ,1992).Wolf gang K etterle ,Pritchard 等(1993)发现,将再泵浦光束限制在陷阱中心从而减少该区域的散射光,可使MO T 中的原子数密度显著增加.受此启发,我和同事在斯坦福发现只需在光学粘胶的最后阶段关断再泵浦光,可大大提高MO T 中低温原子的密度(Lee ,Adams ,Kasevich 和Chu ,1996).MO T 的发明和发展说明了激光冷却和捕陷领域是如何从全世界科学家相互融合的思路和相互合作中成长起来的.因此,我发现在进行大多数激光冷却原子实验时,以磁光阱作为研究起点是非常适宜的.4 再次关注光学粘胶1987年冬天,我决定离开贝尔实验室这个象牙塔,受聘为斯坦福大学的教授.当我离开贝尔实验室时,我们刚刚实现磁光阱,显然这种陷阱是进行一系列实验的理想起点.我在1987年秋天来到斯坦福,不知道要多长时间才能建立起一个新的研究队伍.Bill Phillips 和Claude Cohen 2Tannoudji 组建起强大的科研队伍,在斯坦福却不能照搬他们的做法.Dave Pritchard 在M IT 也培养了一个有实力的科研小组.其它原子物理方面的“本垒打”专家诸如Carl Wieman 和Alain Aspect 刚刚踏入这一领域.这样,我不得不重新开始,一面编写研究方案,一面约见未来的研究生.如果我事先仔细考虑过建立一个新实验室要面对这样的挑战,也许我就不会离开贝尔实验室了.如同我人生历程的很多阶段一样,这次工作变动也许不是一次聪明的选择,但却是一次幸运的选择.从1988年到1993年,我进入了自己科学生涯当中最多产的一段时期.我的第一批研究生有3人,他们是Mark Kasevich ,Dave Weiss 和Mike Fee.我还带了两个博士后Yaakov Shevy 和Erling Riis ,他们俩在我到斯坦福的第1年就加入了我的研究小组.1988年1月,Dave 和Yaakov 在我们原先用来实现光学粘胶和偶极阱的真空室中实现了磁光阱.我们计划对光学捕陷的技术进行改进,用激光冷却和捕陷的新技术探索冷原子可能产生的新的物理学研究领域.Mark 和Erling 建造了另一个真空室,用于研究原子在冷表面的量子反射.当我还在贝尔实验室时,Allan Mills 和Phil Platzman 引起了我对超冷原子量子反射的研究兴趣.这个问题可简单概括如下:设想一个德布罗意波长较大的原子,入射到一个理想的短程的引力势能区.在通常情况下应该有透射波和反射波,但是当德布罗意波长大于引力势能区的线度时,却得到和直观相反的结论,即反射概率趋于相同.真实的表面引力势具有1/z n 的形式,没有长度限制.靠近表面的原子受到范德瓦耳斯吸引力的作用,其形式为1/z 3,若距离较远,由于Casimir 曾讨论过的“推迟势”的影响,引力势变为1/z 4的形式.当计入非弹性散射情况时还有更精细的结果.这个问题吸引了大批理论科学家和实验科学家的注意.由于当时一个震惊激光冷却领域的发现,我的研究计划被取消了.1987年,一些其它研究小组也在实验室中实现了光学粘胶,并测量到接近估计极限值的原子温度(Sesko 等,1988;Phillips ,私人通信).1988年春,Bill Phillips 及其同事报告了钠原子在光学粘胶中能够冷却到远远低于理论所预言的极限温度.N IST 小组报告光学粘胶中钠原子温度冷却到43±20μK ,并且在该温度下不再遵循频率依赖关系的理论估计(Lett 等,1988).实验结果太惊人了,他们采用了3种不同的飞行时间法来确认该结果.在几个月内,由Wieman 、Cohen 2Tannoudji 和我领导的3个独立研究小组分别证实了光学粘胶中的钠原子和铯原子能够被冷却比多普勒极限低得多的温度.这些实验结果非常令人吃惊,但在这之前就有线索表明其中有些差错.从1986年起我所在小组开始在会议上讨论“超级光学粘胶”的问题.1987年在瑞典Are 举办的激光光谱年会上,N IST 研究小组报告了光学粘胶的寿命,指出寿命的频率依赖关系和在我们最早的光学粘胶论文中提出的(G ould 等在1987)简单公式〈x 2〉=2D τ/α2所预测的结果有很大差异,这个小组还发现,陷阱在光束不平衡时比预想的更稳定.当我们正陶醉在冷却和捕陷原子的成功时,科学界并没有进行过光学粘胶属性的基本测量实验,这一点我应当负主要责任.在1988年6月底,Claude 和我在意大利Torino 参加关于自旋极化量子系统的会议.在会上,我做了一个综述报告介绍了当时激光冷却方面的惊人发现(Shevy ,Weiss 和Chu ,1989).报告后,Claude 和我一起吃午饭,我们将实验室中的发现进行了比较.我们认为预测二能级原子最低温度的理论无可非议,更低温301第5期 朱棣文:中性粒子的控制。
1997年度诺贝尔物理奖
1997年度诺贝尔物理奖
无
【期刊名称】《发现．图形科普》
【年(卷),期】2002(000)005
【总页数】3页(P61-63)
【作者】无
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】N19
【相关文献】
1.1997年度诺贝尔物理奖他们构筑了原子陷阱 [J], 无
2.他们捕获了原子：1997年诺贝尔物理奖介绍和它对我们的启示 [J], 石晓斌
3.中国农业会计学会1997年度科研课题通过评审本刊1997、1998年度优秀稿件评选揭晓 [J],
4.杭州大学王绍民教授接受邀请申报1997年诺贝尔物理奖 [J], 郅明
5.激光冷却和捕获原子——1997年诺贝尔物理奖介绍 [J], 郭奕玲
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
诺贝尔物理学奖六十年
2011年诺贝尔物理学奖获奖者为美国加州大学伯克利分校教授索尔·佩尔马特，澳大利亚国立大学教授布莱恩·施密特，以及美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯。
他们的贡献是，通过对超新星的观测证明宇宙在加速膨胀、变冷。
2010年诺贝尔物理学奖获奖者为英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。
他们在2004年制成石墨烯材料。
石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业的再次革命。
2009年诺贝尔物理学奖获奖者为英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。
高锟获奖是由于在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”作出了突破性成就，而两位美国科学家的主要成就是发明半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器。
2008年诺贝尔物理学奖获奖者为美国籍科学家南部阳一郎和日本科学家小林诚、益川敏英。
南部阳一郎的贡献是发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制，而小林诚和益川敏英的贡献是发现了有关对称性破缺的起源。
2007年，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现“巨磁电阻”效应而获诺贝尔物理学奖。
2006年，美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获奖。
2005年，美国科学家罗伊·格劳伯、约翰·霍尔和德国科学家特奥多尔·亨施因为“对光学相干的量子理论的贡献”和对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献而获奖。
2004年，诺贝尔物理学奖归属美国科学家戴维·格罗斯、戴维·波利策和弗兰克·维尔切克。
他们发现了粒子物理强相互作用理论中的渐近自由现象。
2003年诺贝尔物理学奖——超导和超流体理论研究领域的卓越贡献2003年度诺贝尔物理奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特,以表彰他们由于在超导和超流体理论研究领域所作出的开创性贡献。
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。
朱棣文
朱棣文三兄弟从小就受到了东方文化的熏陶和培养 。从父母 身上他学会了刻苦、勤劳和谦逊， 身上他学会了刻苦、勤劳和谦逊，美国的 开放式教育也造就 了他的幽默、风趣和自信。 了他的幽默、风趣和自信。 朱棣文非常感谢父母在学习上给 了他们很大的自由度。 了他们很大的自由度。 升到中学后父母就很少再过 问3个孩子的功课，而且，一直鼓 个孩子的功课，而且， 兴趣为主来选择科系专业， 励他们要以自己的 兴趣为主来选择科系专业，一旦选定目标 以恒不懈努力。朱棣文高中毕业时， 就要持之 以恒不懈努力。朱棣文高中毕业时，父亲本不赞成 他选择物理学， 他选择物理学，认为善於绘画的儿子应该去学建筑 ，因为物 理学界高手太多，不易出成就， 验是枯燥无味的， 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。1970 学问做得津津有味。 特大学数学和物理双学士；1976年 年他获得了纽约州罗彻斯 特大学数学和物理双学士；1976年 28岁时 岁时， 莱大学物理学博士学位， 28岁时，获得柏克 莱大学物理学博士学位，并在该校从事两 后研究；1978年到美国贝尔实验室 年到美国贝尔实验室( 年的博士 后研究；1978年到美国贝尔实验室(目前属朗讯公 任电磁现象研究人员,因成绩显著并做得一手“ 司) 任电磁现象研究人员,因成绩显著并做得一手“漂亮 实 验”於1983年升任该实验室电子学研究部主任；1987 年转任 1983年升任该实验室电子学研究部主任； 年升任该实验室电子学研究部主任 斯坦福大学物理学教授，1990年任该校物理系 主任。 斯坦福大学物理学教授，1990年任该校物理系 主任。
进一步发展 太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。科学 太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。 们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果。 家 们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果。 科技世家一门豪杰 朱棣文1948 朱棣文1948年2月28日出生在美国 密苏里州圣路易斯市 1948年 28日出生在美国 一个学者之家。 一个学者之家。 朱棣文的祖父朱祝年是江苏太仓 城厢镇的一位读书人， 城厢镇的一位读书人， 十分重视培养后代。 朱汝昭早年曾留学日本； 十分重视培养后代。大姑妈 朱汝昭早年曾留学日本；二姑妈 朱汝华早年留学美 国任兰加哥大学化学工程教授，是中国第 国任兰加哥大学化学工程教授， 三姑妈朱汝蓉，1943留学美国攻读化学 留学美国攻读化学， 一代化学 家；三姑妈朱汝蓉，1943留学美国攻读化学，也为 名化学教授。 一 名化学教授。 朱棣文的父亲朱汝瑾1940 朱棣文的父亲朱汝瑾1940年毕业於 清华大学化工系， 1940年毕业於 清华大学化工系， 1943年留美就读於麻省理工学院， 1946年获该院化工博士， 1943年留美就读於麻省理工学院， 1946年获该院化工博士， 年留美就读於麻省理工学院 年获该院化工博士 先后任美国圣路易、 新泽西的3所大学教授， 先后任美国圣路易、纽约及 新泽西的3所大学教授，
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。
历届诺贝尔物理学成果
1、1901年：伦琴（德国）发现X射线2、1902年：洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究3、1903年：贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）9、1909年：马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究，特别是发现理查森定律10、1910年：范德瓦尔斯（荷兰）关于气态和液态方程的研究11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置13、1913年：昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦14、1914年：劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象15、1915年：W·H·布拉格、W·L·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究16、1916年：未颁奖17、1917年：巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性18、1918年：普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性21、1921年：爱因斯坦（德国犹太人）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现22、1922年：玻尔（丹麦犹太人）关于原子结构以及原子辐射的研究23、1923年：密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室，能显示出电子穿过空气的径迹28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象，并提出理查森定律29、1929年：路易·维克多·德·布罗伊（法国）发现电子的波动性30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应31、1931年：未颁奖32、1932年：海森堡（德国）在量子力学方面的贡献33、1933年：薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论34、1934年：未颁奖35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象38、1938年：费米（意大利犹太人）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应39、1939年：劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素40、1940——1942年：未颁奖41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法43、1945年：泡利（奥地利犹太人）发现泡利不相容原理44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究，发现阿普顿层（电离层）46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法，并发现π介子49、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜52、1954年：玻恩（英国犹太人）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法，用以研究原子核反应和γ射线53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究55、1957年：李政道、杨振宁（中国）发现弱相互作用下宇称不守衡，从而导致有关基本粒子的重大发现56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应57、1959年：塞格雷、张伯伦(Owen Chamberlain)（美国）发现反质子58、1960年：格拉塞（美国犹太人）发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费尔曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献，特别是关于恒星能源的发现66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应72、1974年：赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星73、1975年：A·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系提出核结构理论74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射77、1979年：格拉肖、温伯格（美国）、萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献，并预言弱中性流的存在78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒79、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论，阐明相变临界现象81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限，对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究82、1984年：鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W和Z粒子的实验成为可能83、1985年：冯·克里津（德国犹太人）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现中微子，从而证明了轻子的对偶结构87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在89、1991年：热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星，由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法96、1998年：劳克林、斯特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路99、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面的成就。