冷原子物理及其应用2011.4

冷原子物理及其研究意义（续）
�
减慢光速的关键是存在第二束激光即所 谓的“耦合脉冲”。耦合光脉冲与传播 光脉冲(或称探测光脉冲)因为偏振态不 同可区分。耦合光与样品中的原子的内 部能级精确地匹配，抑制了原子对探测 光的吸收。
冷原子物理及其研究意义（续）
�
实际情况是，原子的一条吸收能级被劈 裂成两条能级,两条能级对探测光的吸收 作用相互抵消了,这一现象被称为电磁感 应透明。光速被减慢的同时,原子气团的 “折射率”，即它偏转光线的程度，也 将随探测光的频率急剧变化,这反过来又 会导致光的群速变得很慢。
Bin Liu , Li-Bin Fu , Shi-Ping Yang , and Jie Liu， PRA75 （ 5）2007 Liu, Fu, Yang,
Complex energy structure and various nonlinear Josephson oscillation
Transition to self-trapping in a triple well
�
�
冷原子的应用前景（续）
四、量子态操控
�
�
冷原子由于运动速度很慢，能级结构稳定，因 此相比热原子具有更为明确的量子态。更利于 对它的量子态如外层电子自旋、原子磁矩等等 进行控制。 同时冷原子量子态的变化可以反过来控制光信 号，完成信息处理过程。目前较为成熟的量子 态控制有冷原子电磁感应透明（EIT），相干 布居数囚禁（CPT）等等。
�
从这三个大领域的基础性和应用性来 说，原子分子与光物理领域介于其他两 者之间。粒子物理需要依靠大型实验设 备展开基础性探索工作，而凝聚态物理 更多的研究方向主要瞄准可遇见的应用。 因此在原子分子与光物理领域中，许多 研究方向的现实意义并不为人所熟知。
冷原子物理及其研究意义（续）
�
冷原子物理学实际是一门交叉学科，目 前研究者主要来自：原子与分子物理、 光物理、理论物理、凝聚态物理等学科 的研究者。 冷原子物理是研究超低温度下的原子(分 子)的各种特性及其应用的物理学分支。
冷原子的应用前景（续）
二、精确的能级结构
�
原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的 主要因素。冷原子由于速度很小温度很 低，原子间的碰撞远远少于热原子，因 此能级宽度远小于热原子，具有更精确 的原子能级结构和更窄的跃迁光谱，这 对原子能级以及各种常数的精确测量具 有重要意义。
冷原子的应用前景（续）
� �
冷原子的应用前景（续）
�
目前人们已经可以利用激光冷却俘获我们需要的原子， 再用激光将其输送到需要的地方，组合成新的分子或凝 聚态物质。 人们甚至可以利用激光俘获大生物分子如DNA 等，取代 某些原子，从而改善动物或人类的基因，这将引起分子 生物学上的一次重大革命。 目前德国马普学会量子光学研究所（MPQ ）的科学家在 欧洲核子中心（ CERN）启动了一个项目，内容是利用激 光冷却技术俘获反氢原子，研究它和氢原子间的异同。 这个项目成功之日将是人类控制并利用反物质的开端。
冷原子的应用前景（续）
三、单原子的俘获及操控
�
�
激光冷却技术已经可以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 久以来都是人类的一个梦想。在凝聚态物理领 域前沿的表面物理中，依靠扫描隧道显微镜技 术可以移动和控制一些原子的位置，但无法脱 离样品表面完成对原子分子的俘获。
内容提要
� � �
冷原子物理及其研究意义 冷原子的应用前景 结束语
冷原子物理及其研究意义
�
按人类对微观世界的认识程度划分，当 代物理学有三个最主要的研究领域，即 粒子物理，原子分子与光物理（ AMO） 和凝聚态物理。这三个领域的物理学家 几乎瓜分了20 世纪 50 年代以来的诺贝 尔物理学奖。
冷原子物理及其研究意义（续）
冷原子物理及其研究意义（续）
左图为俯视图，显示了冷凝态原子由电磁脉冲排 出阱外后是如何以脉冲的形式发射的，它们在引 力场中自由下落并渐渐的扩大；右图为另外一组 原子脉冲的图样，每个原子脉冲中的原子数界于 105到106个。
原子 激光 实验 观察 到的 现象
冷原子物理及其研究意义（续）
光速减慢
一种利用激光和超冷原子停止和启动 光脉冲的方法
�
冷原子的应用前景
�
当碱金属原子被大量冷 却到最低能态上从而产 生玻色－爱因斯坦凝聚 （BEC） 时，这些最低 能态原子会产生物质波 干涉，使人类能够最直 接观察实物粒子的物质 波干涉。
MIT小组得到的干涉花样图。图 形宽度为1.1毫米，条纹间距为 15微米
冷原子的应用前景（续）
� �
�
主要应用领域：原子干涉仪。 干涉测量技术目前普遍采用的是两束激 光之间的干涉。由于光子基本不受重力 影响，难以用激光精确测量重力。 原子受重力作用十分明显，因此原子干 涉仪可以有效测量重力的微小变化，以 及引力波等等，将是未来航空航天技术 必不可少的设备。
冷原子物理及其研究意义（续）
该研究领域 5年内诞生了两个诺贝尔物理学奖 该研究领域5
�
�
�
朱棣文(S.Chu), 科昂-塔努基(C.Cohen-Tannoudji) 和菲利普斯(W.Phillips)因发明了激光冷却技术而 获1997年诺贝尔物理学奖。 维 曼 (C.Wieman)， 康 乃 尔 (E.Cornell),和 凯 特 勒 (W.Ketterle)利用激光冷却技术获得玻色－爱因斯 坦凝聚（BEC）而获2001年诺贝尔物理学奖。 此外2005年诺贝尔物理学奖的获奖成果也与冷原子 物理紧密相关。获奖人之一的汉施 (T. Hansch)也 曾是激光冷却思想最早的提出者之一。
�
主要应用：冷原子钟 原子钟的精度取决于原子能级的精确程度。目 前原子钟主要采用原子精细能级跃迁作为频率 标准。由于冷原子的能级精度远远优于热原 子，冷原子钟会输出更为精准的频率，因此会 将人类的时间精度大幅度提高，对人类的时间 标准和距离标准起到革命性的改进，是未来全 球定位系统和宇宙空间定位系统的核心技术。 目前欧洲“伽利略”全球定位系统计划逐步采 用冷原子钟，美国也计划应用冷原子钟来大幅 度改善GPS系统的性能。冷原子钟的研制将有 着极其深远的军事和科技意义。
冷原子物理的应用前景非常广泛，在 这里举两个实例。
�
原子“激光” “光速减慢”
�
冷原子物理及其研究意义（续）
� �
�
激光：强度极大、单色性好、高度相干 微观粒子也具有“波粒二象性”，当它们处在 超冷状态形成“玻色—爱因斯坦”凝聚时，冷 凝的原子获得完全“同步”的原子的状态。它 们同样具有好的相干性、几乎相同的频率（单 色）。若能一个一个地列队顺序发射就可以产 生原子“激光”。 原子激光可能首先应用于测量变化和制造纳米 技术的新仪器，同时它可能还有许多潜在的、 惊人的价值。
激光冷却原子技术简介
�
此后，人们还发展了磁场和激光相结合的一系 列冷却技术，其中包括偏振梯度冷却、磁感应 冷却等等。朱模文、柯亨-达诺基和菲利浦斯 三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。 激光冷却有许多应用，如:原子光学、原子刻 蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因 斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和 物质的相互作用的基础研究等等。
激光冷却原子技术简介
�
虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压 力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光 压改变原子速度的技术。人们发现，当原子在频率 略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中 运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子 运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光 子吸收几率较小；吸收后的光子将各向同性地自发 辐射。平均地看来，两束激光的净作用将产生一个 与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动 减缓(即冷却下来)。
冷原子物理及其研究意义（续）
�
一个小小的研究领域能这样受到重视，与 它深层次的研究意义分不开的。 冷原子物理领域的开创者们也许都没有想 到，依靠激光冷却技术获得的超低温原子 因为有着其他状态的物质（常温原子）所 没有的优势，在可预见的未来可能会对人 类文明发展起到十分关键作用。
�
冷原子的应用前景
激光冷却原子技术Leabharlann Baidu介
激光冷却原子技术简介
�
1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯 (willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱檬文 (Steven Chu)首先 实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度 (24μ K)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光 讲将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得 了更低温度的“光学粘胶”。之后，许多激光冷却的 新方法不断涌现，其中较著名的有“速度选择相干布 居囚禁”和“拉曼冷却”，前者由法国巴黎高等师范 学院的柯亨-达诺基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后 者由朱模文提出，他们利用这种技术分别获得了低于 光子反冲极限的极低温度。
Trapped in single well
trapped in two wells
谢谢同学们！
2011-4-8
激光冷却原子技术简介
�
�
利用激光和原子的相互作用降低原子运 动速度以获得超低温原子的高新技术。 这一重要技术早期的主要目的是为了精 确测量各种原子参数，用于高分辨率激 光光谱和超高精度的量子频标(原子 钟)，后来却成为实现原子玻色-爱因斯 坦凝聚的关键实验方法。
冷原子物理及其研究意义（续）
�
莱娜·豪和她的同事在两年后又做了一个试验。 将 耦 合 光 的 强 度 调 整 到 可 得 到 每 秒 28 米 的 群 速，然后一个长2公里的探测光脉冲射入到原子 样品中。在脉冲恰好消失在样品中而又没有重 新出现之前，关掉耦合光。结果，探测光的速 度被降为零，光脉冲完全停在原子样品中，它 在样品中停留可达一毫秒。在这一毫秒时间间 隔内的任一时刻把耦合光重新加到样品上，使 探测光脉冲立即从样品中射出来并沿其路径继 续向前传播。
一、可观测实物粒子的干涉
�
室温原子平均速度大约几百米每妙，其德布罗 意波长很小，大约在10-12米量级，原子大多处 在不同的量子态上，相干长度也很短，难以形 成干涉。 冷原子最低温度可达到几个纳 K，平均速度可 达到几厘米每秒，德布罗意波长约为10 达到几厘米每秒，德布罗意波长约为10-7米量 级，相干长度很长，能够宏观观测到相干现象。
结束语
�
�
除了上述几个方面，未来冷原子物理的 研究有可能在其他许多领域发挥意想不 到的重要作用。 全世界都在不断加大对冷原子物理的研 究的投入，相信冷原子物理将大大推动 人类文明进程，在人类社会中发挥越来 越重要的作用。
Self-trapping of BECs in a triple well
冷原子的应用前景（续）
� �
主要应用：量子计算机 量子计算的物理实现是量子信息技术面临的最 大难题。物理学家曾尝试多种方案，但都无法 有效克服系统退相干的问题。冷原子由于相干 时间长，量子态更利于操控等优点，已经成为 量子计算首要的候选者。量子计算机的出现将 是人类科技的一次重要革命，将标志着人类全 面步入信息时代，未来的量子芯片很可能是囚 禁在某个光子晶体内的冷原子系统，这可能是 冷原子物理研究对人类文明最辉煌的贡献。
冷原子物理及其研究意义（续）
�
1999年莱娜 ·豪(Lene Hau) 研究组把一 个时间宽度为3微秒、空间宽度为1公里的 激光脉冲射入一团特制的超冷钠原子气团 样品中（长度为0.2毫米），可以使在其 内部运动的光的速度减慢为自由空间中光 速的一千万分之一（每秒 30米左右），这 是以前可能只在科幻片中才发生的事情。
�
冷原子物理及其研究意义（续）
冷原子物理及其研究意义（续）
冷 原 子 产 生 及 应 用 图 示
冷原子物理及其研究意义（续）
冷原子的主要特征： � 运动很慢，碰撞减少 � 相干时间长，相互作用时间长 � 大量原子具有几乎相同的频率和波长 � 能级宽度变窄，量子态更明确 � 更利于被实际操纵
冷原子物理及其研究意义（续）
物理学新进展讲座
冷原子物理及其应用
河北师范大学物理科学与信息工程学院
杨世平 教授
电 话： 13831182036 E-mail ： yangship@hebtu.edu.cn
目前我们课题组研究内容
� � � � �
分数阶微分系统的混沌控制与同步 经典混沌与量子混沌的比较研究 螺旋波和斑图及其在生物医学上的应用 玻色—爱因斯坦凝聚的理论研究 强激光场与原子或分子的相互作用