激光冷卻

主要應(yīng)用

這一技術(shù)早期的主要目的是為了精確測量各種原子參數(shù)，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)(原子鐘)，后來成為實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)方法。雖然早在20世紀(jì)初人們就注意到光對原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后，才發(fā)展了利用光壓改變原子速度的技術(shù)。激光冷卻有許多應(yīng)用，如：原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光學(xué)晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等等。

理論發(fā)展

人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運(yùn)動時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動方向相反的光子，而對與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較小；吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個(gè)與原子運(yùn)動方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動減緩(即冷卻下來)。1985年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大學(xué)的朱棣文(Steven Chu)首先實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了極低溫度(24μK)的鈉原子氣體。他們進(jìn)一步用三維激光束形成磁光阱將原子囚禁在一個(gè)空間的小區(qū)域中加以冷卻，獲得了更低溫度的"光學(xué)粘膠"。之后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有"速度選擇相干布居囚禁"和"拉曼冷卻"，前者由法國巴黎高等師范學(xué)院的柯亨-達(dá)諾基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱棣文提出，他們利用這種技術(shù)分別獲得了低于光子反沖極限的極低溫度。此后，人們還發(fā)展了磁場和激光相結(jié)合的一系列冷卻技術(shù)，其中包括偏振梯度冷卻、磁感應(yīng)冷卻等等。朱棣文、柯亨-達(dá)諾基和菲利浦斯三人也因此而獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。