杨世平-冷原子物理及其应用

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
Bin Liu, Li-Bin Fu, Shi-Ping Yang, and Jie Liu， PRA75（5）2007
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。
冷原子的应用前景（续）
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。
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）
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。
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
玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）
1924: Bose (印度)将光子作 为数量不守恒的粒子成功地导 出了Planck黑体辐射定律，同 时认为在原子尺度上我们根本 不可能区分两个同类原子有什 么不同。接着，玻色得到了一 套新的统计理论。
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）
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。
激光冷却原子技Hale Waihona Puke Baidu简介
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 (24μK)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。
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）
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
一、可观测实物粒子的干涉
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)。
Complex energy structure Josephson oscillation
and
various
nonlinear
Transition to self-trapping in a triple well
Trapped in single well
trapped in two wells
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。
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
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。
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。
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。
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 10-7 米量 级，相干长度很长，能够宏观观测到相干现象。
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。
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。
激光冷却原子技术简介
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。
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）
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。