神奇的激光能冷却

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上个世纪八十年代，借助激光技术获得了中性气体分子的极低温度（如10-10K）状态，这种获得低温的方法就叫做激光冷却。激光冷却中性原子的方法是汉斯（T.W.Hansch）和肖洛（A.L.Schawlow）于1975年提出的，八十年代初科学家们便实现了中性原子的有效减速冷却。

激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子后，只要激光的频率与原子的固有频率一致，原子就会吸收迎面而来的光子而减小动量；与此同时，就会引起原子的跃迁（原子又会因跃迁而发射同样的光子，不过它发射的光子是朝着四面八方的），处于激发态的原子灰自发辐射出光子而回到初态，由于反冲会得到动量。此后，它又会吸收光子，又自发辐射光子。但应注意的是，它吸收的光子来自同一束激光，方向相同，都将使原子动量减小。而自发辐射出的光子的方向是随机的，多次自发辐射平均下来并不增加原子的动量。因此实际效果是原子的动量每碰撞一次就减少一点，直至最低值。大家都知道，动量与速度成正比，动量越小，速度也越小。因此所谓激光冷却，实际上就是在激光的作用下使原子减速（温度是物体分子热运动的平均动能的标志）。实际上一般原子一秒钟可以吸收发射上千万个光子，因而可以非常有效地减速。例如，对冷却钠原子的波长为589nm的共振光而言，这种减速效果相当于10万倍的重力加速度。

上述减速实现时必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应。原子束是以一定的速度前进的，迎面而来的激光在原子“看来”频率好像有所增大，这就好比在高速行进的火车上听迎面开来的汽车喇叭声一样，你会觉得汽车尖啸而过，与平时大不相同，这就是多普勒效应。因此只有适当地调低激光的频率，使之正好适合运动中的原子的固有频率，才会被吸收，使原子产生跃迁，从而不断地吸收和发射光子，达到使原子减速的目的。因此这种冷却方法也可叫做多普勒冷却。

实际上原子的运动是三维的，1985年朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对，沿三个正交方向的六束激光使原子减速。他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止了下来，然后把钠原子引入六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移。其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇到具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看上去是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断地降低速度。科学家们给这种机制起了一个绰号，叫做“光学粘胶”。

理论指出，多普勒冷却有一定的限度（原因是入射光的谱线有一定的自然宽度）。例如，利用波长为589nm的黄光冷却钠原子的极限为240mK，利用波长为852nm的红外光冷却铯原子的极限为124mK。但研究者们进一步采取了其它冷却方法使原子达到更低的温度。1995年达诺基小组把铯原子冷却到了2.8nK的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24pK（即2.4× 10-11K）的一群钠原子。