激光冷却和捕获原子_1997年诺贝尔物理奖介绍 3页

年第期物理通报发展中的物理学激光冷却和捕获原子年诺贝尔物理奖介绍—郑奕玲清华大学现代应用物理系。。年月日瑞典皇家科学院决定把光俘获的应用”的学术演讲,朱棣文教授获得诺贝年诺贝尔物理奖颁发给美国加州斯坦福大学尔奖的喜讯很快传遍了神州大地他是第五位得此,法国的朱棣文教授巴黎的法兰西殊荣的华裔科学家他表示今后将加强与中国科学。学院和高等师范学院的克洛德科恩一塔诺季界的合作,我们衷心祝愿这一合作能取得丰硕成一教授和美国国家标准果二·。技术院的威廉菲利普斯博下面仅就激光冷却和俘获原子技术的发展作士,以表彰他们在发展用激光冷却和捕获原子的方一简单的介绍法方面所作的贡献历史背景朱棣文、克洛德·科·,恩一塔诺季和威廉菲利早在年当开普勒试图解释为什么彗星普斯在激光冷却和捕获原子领域的责献意味着在进入太阳系,彗,,尾总是背着太阳时曾经提出光可这个领域里不管是在理论上还是在实验上都出现能有机械效应麦克斯韦在年、爱因斯坦在了突破,并导致对光和物质之间的相互作用有更深年都对所谓的“光压”理论作过重要贡献,特、,,,的理解他们的工作在世界范围内引起了原子分别是爱因斯坦证明了原子吸收和发射光子后其子和光物理学界的强烈响应,并由此打开了研究极动会发生改变有光子动参与的过程首推康普低温下稀薄原子燕气的量子行为的新道路激光冷顿效,应即射线受电子的散射最早观察到反冲却和捕获技术可用于商分辨率光谱学和超冷极撞电子的是年威尔逊用云室作出的第、的研究并且在建造原子钟原子干涉仪和原子激一次在实验中观察到反冲原子的是弗利青光器以及研制原子光学和原子刻印术年年索洛金等人发明的可调染料激,“光的机械特性”的仪器等方面有着广泛的应用前光器为进一步探讨提供了优景新近的应用成果是首次在稀薄原子气体中观察越的手段,目硬二尸泌到了玻色一爱因斯坦凝聚和研制出了第一台雏形年代列托植夫以及其他苏的原子激光器联物理学家和美国荷尔德尔贝尔实验朱棣文教授是华裔科学家,年生室阿斯金小组的物理学家在理论上和于美国密苏里州的圣路易斯,美国公实验上对光子与中性原子的相互作用进行了重要民他父亲朱汝瑾博士是台湾中央研究院院士朱棣文于年毕业于的早期工作其中有一项是他们建议用聚焦激光束美,,,国加州大学伯克利分校获物理学博士学位并使原子束弯折和聚焦从而达到捕获原子的目的,“光学镊子”的发展,留校做了两年博士后研究后加入贝尔实验室他们的工作导致了光学摄子可年任贝尔实验室量子电子学研究部主任用于操纵活细胞和其它微小物体、汉斯和肖洛年应聘任斯坦福大学物理学教授年任斯坦福一。大学物理系主任他因开发了激光冷却和激光捕获年首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却与此同时,外的技术获年费萨尔国王国际科学奖同年被兰德和德选为美国科学院院士年月初,朱棣文教授梅尔特对于离子陷阱中的离子也应邀出席清华大学高等研究中,提出过类似的建议汉斯和肖洛的方法是把激光心成立大会并在“束调谐到略低,利用多普勒世纪基础科学的展望研讨会上作了原子分子的激于原子的谐振跃迁频率一一 年第期物理通很发展申岭物理学,”,而是在引力场中缓原理就可使中性原子冷却这是因为迎面而来的学粘胶由于原子并未被捕获。,,激光在原子看来频率会有所增这病雨,宙此,丸瘾食下落冷原子云的寿命是有限的在最纂的,实验中寿命为。,这多普勒效应如果调谐适当激光束的视在频率正一效应实际上可舟于计,原子就会吸收光子原子在激光交汇处的温度方法是光以一定的好与原子的谐振频率一致而沿把傲,时,观测荧光的衰减他们测出的结果激光束的方向减小动量与此同时原子又会因跃间间隔关掉,不过它发射的光子是朝着与钠的理论多普勒极限值相符光学粘胶迁而发射同样的光子四面八方的,因此,实实验的进一步发展做到了让原子的密度增加为际效果是原子的动量每碰撞一次就减小,,。,,,观察时间增加为,一点直至最低值动量越小速度也越小,要使经过激光冷却后在光学粘胶中运动的中因此所谓激光冷却实际上就是在激光的作用正变得有用,下使原子减速这种冷却方法称为多普勒冷却对性原子宾偏耍有一个陷阱这样的陷于理想的双能级原子的气体,可阱应该比非利普斯年的磁箔阱或招咚布由朱以很容易地计算出极,,对钠的谐振跃迁,这棣文及其同事在光学粘胶实脸中实观的案焦漱光限温度这就叫多普勒极限,丈一极限温度为。束陷阱更深年普利杏妇七‘而和朱棣,要冷却和捕获中性原子首先要使这些原子的文根据达利巴德班的建议招三对相向,,速度降到足够地慢,这祥它们就能有充分传播的侧偏振激光束并和勃磁场组惫在一起构长的时间停留在光一原子相互作用的区域里,年前后,成磁光瘩阱这祥的陷饼为后来的各种寒毅提供了人们进行了一些用光子使原子束减速的尝试,困难基本的手段⋯一在,画盯和汉于当自由原子的速度降下来之后激光的频率也朱棣文根据扎查利亚斯、,,必须跟随多普勒频移改变怎样才能做到这一点斯的建议还发展了一种技术叫原子硕泉可用午“卜呢列托霍夫提出了所谓的徽光颇率扫描法气美高分辨率光谱学将这些经过冷却并被摘获的原子·,国盖泽斯堡国家标准技术院的威廉菲利普斯及在重力场中向上喷出抛射到顶点时镇好在徽波腔其同事则,,,开发了另一种方法让原子束洽变化的螺内如图所示这些原子被柑继的两束徽彼脉冲线管,以便多普勒绷移和塞受磁场的轴线方向传播激发原子束经两道傲发区的技术是拉姆齐瓦效,,,,应互相补偿从而使谐振跃迁撅率保持不变这刃首创的一直用在最栩确扮尿子钟上现就是所谓的塞曼减速法菲利普斯利用这一技术在在这类疚子钟的精确度已经达到。一“瓦淞根据原年成、功地阻滞了原子束并把原子抓获在礴阱子喷泉的新设计预计可以把原子钟的精礴度再提中,他用的磁阱是年的普利查德高,嘴提出的也是在,年薄尔德美国国家标准技术院的粗尔及其同事演示了用激光颇率扫描法使中性原子束完全停止下来光学粘胶年朱棣文及其在新泽西州荷尔德尔贝尔实验,室的同事其中有阿斯金和布约克霍姆,动手实现汉斯和肖洛提出的多普勒冷却他们先用频率扫描的预冷激光使一束钠原子慢了下来然后关掉激光,把钠原子移入六束两两相吸产么口场对的正交激光的交汇处年该小组报道了把在,体。,中的个中性钠原子的稀薄燕气图原子喷泉示意图两两相向相互正交的六束积为激光组成光学枯胶,再加,两个线圈产生磁场形成破光陷冷却到大约的温度阱,把,,注人的经过冷却的原子捕获在陷阱中将透些原子原子在激光束交汇处区域的运动很像在假想,向上喷出在抛射曲线的顶点徽波脉冲将从能,于是在朱棣文等人最初的衅孙中的粘性媒质中的运动态激发,到另一个能态由此可以极其精确地测量原子能论文中,“光取名为态一一 年第期物理通报发展中的物理学亚多普勒冷却于反冲极限的温度在新近的发展中,人们做到了与,此同时菲利普斯和他在美国国家标准技术把冷却了的原子拘捕在所谓光格架的地方这种格院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠架,靠改变激光束的位是以光的波长童级作为间隔原子冷云团他们被理论与实验之间徽小的不符所形加以调整由于原子处在格架位置上要比处在任激励,创,造了精确测量处于不同冷却条件的云团温意位置能够更有效地冷却从而可以达到无规状态度的各种方法他们采用一种技术测量原子从光学下所能达到的温度的一半例如,对于艳已经达到粘胶区域下落到探测激光束处的飞行时间年了泌初,他们发,,比预计的多普现原子温度约为泌亚反冲冷却,,勒极限礴低得多他们还发现最低的温度是单个光子的反冲能量之所以会有一个极限值在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到是因为,不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却两者的都会发生连续的吸收和发射的循环过程每个过程朱棣文后来转到斯坦福大学,他所带的几个研都会给原子以微小但却不能忽略不计的反冲能究小组如果原子几乎是静止的,免去了吸收以及科息一塔诺季在巴黎高等师范学院的发射循,,—小组所做的实验不久就证实了菲利普斯的发现是环原则上就可以在稀薄原子蒸气中达到比反冲冷真实的斯巴黎的小组几乎同时而且立却极限还要低的温度,这就叫亚反冲冷却早在坦福小组和,比萨大学就已经发现,可刻对这一理论和实验之间的分歧作出了解释原来年代以用光泵方法使放多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有在强激光场中的原子激发到无吸收的相干益加状态,即“暗态”简单的二能级谱可是实际上真正的钠原子都具有所谓的科恩一塔诺季和巴黎高等师,不但在基态,而且在激发态也范学院的,好儿个塞曼子能级一些同事其中有阿里孟多是如、,。,,此基态子能级可以用光泵方法激发也就是来自比萨和阿斯派克特,他们在一系说激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同列的实验中证明了利用多普勒效应可,并引起新的冷却机制这种布居分布的细节以使最冷的原子最终达到暗态这个方法就叫速度分布依,而在光学粘胶中,选择相干布居陷阱法赖子激光的偏振态在光学波,年,科长量级的距离里偏振态会发生快速的变化因此思一塔诺季及其同事用这种方法,“使氮原,人们为这种新的冷却机制取了一个名称叫偏振子冷却他们用两组相向传播的激光束证”明拌,比理论预计的反梯度冷却菲利普斯最早发现的特殊机制则取了了一维冷却可达的温度,“”冲极限还小一倍年代初这另外一个名称叫希苏伐斯冷却希苏伐斯是希一实验发展到二维冷,却年科思一塔诺季和阿斯派克特及另腊神话中的一个角色传说他被判处把重石头推上一个,,,,山坡而当推到山顶上时重石又滚下山子是他只小组用两对相互正交的并相向传播的激光束证明,了二维冷却可达,约能从头开始原子总在失去动能就好象是上山一比反冲极限温度低,,,倍,样经激光场又被光激发回到山谷如此周而复始最终在年实验发展到用三对激光束演示,,了沿三个方向的冷却最低的温度达到,比反复进行不断冷却降温人们把低于多普勒极限的过程称为亚多普勒冷却反冲极限还要低倍理论预计,氦原子的多普勒,极限为,反冲极限为年菲利普斯访问巴黎他与高等师范学院详详,,的小组合作共同证明了中性艳原子可以冷却到么激光冷却和捕获原子的研究已经形成了分子,,和多普勒冷却一样,其它类和原子物理学发展的一个重要突破口它是当代物详他们发现型的激理学的热门课题,各种新光冷却也有相应的极限以从单个光子反冲而得的技术和新成果正在不断涌现,前景十分诱,速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限人值得大家密切关注对于钠原子,反冲极限温度为,而艳原子刚木文的大部分是根据瑞典皇家科学院信息部低。上述实验结果似乎就表示了,用偏振年月日在因特网络上岌布的补充背景材至详梯度冷却有可能使一群无规则的原子云达到十倍并编译而成一一