你没看错!激光真的可以冷却粒子!
来源:科普中国
发布时间:2024-04-19
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早在中学物理课堂上,物理老师就告诉过我们,生活中接触到的物质通常是分子或者原子构成的,而原子则是保持物质的化学性质的最小单位。举个例子,游乐场所售卖的氦气球中的氦气,就是由氦原子构成的单原子分子。这时候,气球中的氦气看起来像是完全静止一般,然而其内部的氦原子时刻处于不停歇的“热运动状态”,并且随着环境温度的升高,这些微观粒子的热运动速度也不断增大。

说出来可能各位小伙伴不太相信,即使将这个氦气球放在漠河最冷的气温下(-53℃,即大约220 K的温度),其内部的氦原子也在以超过每小时120 千米的速度进行高速随机的热运动。也就是说,这些微观粒子的热运动速度堪比高速公路上的小汽车!

因此,科学家们如果要想精确地调控单个原子,就不得不先将这个原子冷却到接近绝对零度的水平(约为-273.15℃,即0 K),只有这样才尽可能让原子乖乖地静止下来。那么,我们该如何才能让运动速度超级快的原子,冷却到如此之低的温度极限呢?

答案就是——激光!你没有看错,更加准确的说法应该是“激光多普勒冷却”的方案。

01光竟然可以偏转原子的轨迹?——奇妙的光子散射相互作用

在我们的传统印象中,光子(光的基本“粒子”)的运动速度极快,并且自身携带的能量也极其微弱。因此,光相比于质量较大的原子,光子要与其相互作用并发生能量交换,相当于“蚍蜉撼铅球”,看起来会非常困难。

其实早在1933年,物理学家奥托·弗里希就首次利用钠蒸气灯发出的光线,成功使得一束钠原子的运动轨迹发生偏转。尽管原子束轨迹的偏转程度只有约1毫米,却有力地证明了光子能够与原子发生能量的传递。然而,要想完成这个偏转原子轨迹的实验并非易事,这就需要发出的光子与原子发生足够强的散射相互作用才可以。

原子与光子相互作用的示意图(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

简单而言,每种原子的内部都有不均匀的特定“能量阶梯”——能级结构,并且不同能级之间也具有特定的能量差微信图片_20240413223534.png。当这个原子遇到频率刚好为微信图片_20240413223609.png的光子时,便会毫不客气地“吃掉”这个光子,从而完成自身能级的跃迁。作为“贪吃”的代价,这个原子便会由于吸收光子过程中发生的碰撞,而改变自身原有的运动速度。更有趣的是,这个“贪吃”的原子很容易出现“消化不良”的症状,并且向四周随机地“吐出”一个频率同样为微信图片_20240413223609.png的新光子,从而再次恢复到最初的能级状态。其实,在原子物理学的研究中,原子内部发生的上述过程有一个更加专业的名字——自发辐射

原子发生“自发辐射”的示意图

(图片来源:作者自绘)

而当这个原子接连遇到相同入射方向的多个频率为微信图片_20240413223609.png的光子时,便会不断地重复这种“自发辐射”的循环过程。随着时间的积累,这个原子每次向不同方向随机吐出新光子所受到的反作用力,几乎会被平均抵消掉。这就意味着这个原子在完成多次循环后,整体上只感受到多次“吃掉”那一堆相同方向光子过程中所累加的碰撞作用力。这种持续的相互作用力,足以使得原子的运动轨迹发生偏转。

在上世纪的早期,由于当时的物理学家还无法得到能量密度更高的激光光束,因此只能完成原子轨迹的偏转实验。进入到20世纪70年代,伴随着激光技术的快速发展,物理学家们也开始尝试利用激光光束来与原子进行相互作用,希望对高速运动的原子实现减速作用。

02让原子陷入光子的沼泽——光学黏团

然而,要想让初速度很快的原子顺利地“吃掉”迎头飞来的光子,并不是一件容易的事情。这是因为在此时的原子看来,这个迎面飞来的光子会由于“多普勒效应”而具有更高的频率微信图片_20240413223818.png,因此无法“吃掉”这个光子(与自身的能级差微信图片_20240413223534.png不符合),也就意味着无法顺利完成“自发辐射”的循环过程

原子感受到光子具有更高的频率

(图片来源:作者自绘)

其实,这里提及的“多普勒效应”我们并不陌生。举个例子,当警车鸣笛靠近时,我们会感觉警笛声的音调越来越高,即我们耳朵接受到的声波频率逐渐变大;而当警车鸣笛远离时,警笛声也会相应变得越来越低沉,即我们听到的声波频率逐渐变小。这种观察者所感受到的辐射频率随着波源和观察者之间的相对运动而产生的变化,最早是由奥地利物理学家克里斯琴·多普勒在1842年提出的,因此被称为“多普勒效应”。

“多普勒效应”示意图(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

因此,如果这个初速度很快的原子要想“吃掉”频率恰好为微信图片_20240413223609.png的光子,那么考虑到上述存在的“多普勒效应”,这个迎面飞来的光子本身频率微信图片_20240413223818.png就需要略小于微信图片_20240413223609.png才可以顺利完成自发辐射”的循环过程。这样一来,得益于“原子-光子”之间持续不断的散射相互作用,这个原本速度很快的原子便会由于光子的阻击而降低自身的速度。

受到这种多普勒冷却方案的启发,在1982年来自美国国家标准和技术研究所(NIST)的威廉·菲利普斯小组,在实验上将原本沿着某一方向进行定向运动的钠原子,从原本平均热运动速度为每小时3600千米,首次成功降低至大约每小时144千米 (根据热力学统计中的速度分布关系可知,钠原子冷却至大约70 mK,即0.07 K)。

对某一定向原子的减速只需考虑单个方向上的运动,而对整个原子团的冷却则需要在三维空间中的前、后、上、下、左、右六个方向同时对其进行减速,这就要求三对反向传播的激光光束同时作用。就在1985年,美国贝尔实验室的朱棣文小组利用三对反向传播的激光光束照射钠原子的蒸气团,并且在三对激光的交汇处成功冷却了一团钠原子,此时原子团的温度低至多普勒冷却的极限温度(约0.00024 K),而这种特殊的原子团状态也被称为“光学黏团(optical molasses)”。

虽然,这种“光学黏团”的技术能够高效地冷却原子团,然而理论上它只能对原子团的运动起到阻碍作用(类似于让原子陷入到光子的沼泽中),因此并非真正实现了对原子团的囚禁(原子团的寿命只能稳定在秒量级)。这就意味着,要想将原子团长时间稳定地囚禁在三维空间中,还需要空间中额外的指向激光交汇处的另一种相互作用才可以

03磁光阱:光学黏团和静磁场的完美结合

在1987年,朱棣文小组与麻省理工学院的普里查德小组合作,在实验上采用了光学黏团与空间中梯度分布的静磁场相结合的方案,从而成功实现了原子团的冷却和囚禁,而这种结合了梯度静磁场与光学黏团的原子陷阱,也被称为“磁光阱(MOT)”。

“磁光阱”的示意图(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

具体而言,磁光阱中三对反向传播的激光光束交汇处的磁场为零,并且原子团在势阱中心所受到的平均散射也为零。通过精确地调控三维空间中静磁场的梯度分布,能够使得势阱边缘处的原子由于受到磁场的反向牵制,就不会向外逃逸。

也就是说,磁光阱一方面利用光学黏团让原子冷静下来另一方面又借助梯度磁场将原子团推向势阱的中心,从而实现对于原子团的冷却+囚禁复合作用。

正是得益于磁光阱技术的发明,物理学家们才有机会对微观粒子实现长时间的稳定囚禁,从而为微观粒子的精确调控提供了可能性,并且推动了量子信息技术的发展。也正是凭借着在激光冷却和囚禁原子方面的突出贡献,朱棣文和威廉·菲利普斯分享了1997年的诺贝尔物理学奖三分之二的奖金。

结语

然而,经过多普勒冷却后的原子速度仍不为零,并且存在自身的温度极限,也被称为“多普勒温度极限”。这是因为对于原子而言,虽然在多次自发辐射中的反冲作用被平均掉了,但是原子总是在不断吸收光子和自发辐射,从而使得原子处于随机行走的状态,而无法真正的完全静止下来。

一般而言,原子在经过多普勒冷却后,其自身的温度极限在几百个μK(微开尔文,微信图片_20240413224045.png)的量级。要想进一步降低原子的冷却极限,就需要在完成多普勒冷却之外,再次引入更加强大的“亚多普勒冷却”。

那么,物理学家们又是如何大开脑洞,在实验上成功将原子的温度进一步降低至μK甚至是nK(纳开尔文,微信图片_20240413224103.png)量级的呢?那就让我们在下一篇文章中共同探索“亚多普勒冷却”的奥秘吧!

参考文献

[1] (Otto Frisch) Frisch R. Experimenteller nachweis des Einsteinschen strahlungsrückstoβes[J]. Zeitschrift für Physik, 1933, 86(1- 2): 42-48.

[2] (威廉·菲利普斯) Phillips W D, Metcalf H. Laser deceleration of an atomic beam[J]. Physical Review Letters, 1982, 48(9): 596-599.

Prodan J, Phillips W D, Metcalf H. Laser production of a very slow monoenergetic atomic beam[J]. Physical Review Letters, 1982, 49(16): 1149-1153.

[3] (朱棣文) Chu S, Hollberg L, Bjorkholm J, et al. Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure[J]. Physical Review Letters, 1985, 55(1): 48-51.

[4] (普里查德-Pritchard: MOT) Raab E L, Prentiss M, Cable A, et al. Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure[J]. Physical Review Letters, 1987, 59(23): 2631-2634.

[5] (亚多普勒冷却) Lett P D, Watts R N, Westbrook C I, et al. Observation of atoms laser cooled below the Doppler limit[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(2): 169-172.

作者:栾春阳 清华大学物理系博士

审核:罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

出品:科普中国

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司

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