冷原子物理及其应用

1、 冷原子物理及其应用摘要 二十多年前，人们通过物理实验方法获得了冷原子，今天超冷原子成为了多学科交叉的枢纽，超低温物理、超低密度凝聚态物理、超低能碰撞物理、非线性与量子原子光学、量子信息处理、精密谱与量子频率标准等研究汇聚于此。本文章介绍了冷原子物理的相关研究及其意义。关键词 冷原子物理，激光冷却，玻色-爱因斯坦凝聚十多年来，一个新的研究领域超冷原子物理学蓬勃发展起来。处于“超冷”状态的原子体系将遵从新的物理规律，其中特别有意义的是原子气体会出现玻色爱因斯坦凝聚现象（BEC） 。2001 年的诺贝尔物理奖就授予了在BEC 实验实现和性质研究方面做出重要贡献的英国科学家康奈尔、维曼和德国科学家克特勒。玻色爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在70 年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态） 。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。本文介绍BEC的概念、形成条件和实现途径以及激光冷却中性原子的原理，并说明冷原子的一些相关应用。一、玻色爱因斯坦凝聚及其实验研究简史 1924年

2、印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题，他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国发表。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。爱因斯坦于1924和1925年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是所谓的玻色爱因斯坦凝聚(BoseEinstein Condensation，BEC)，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色爱因斯坦统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。 然而，并不是所有微观粒子都服从玻色爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一个态。利用这一点可以解释元素周期表。费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。而

3、玻色子的情况则相反，一个量子态上可以有任意多个粒子占据着。微观粒子究竟属于哪一类是由其自旋决定的，自旋为整数的如光子、胶子等是玻色子，而为半整数的如电子、夸克等则是费米子。 虽然超导体中的电子服从费米狄拉克统计，但在某种机制下，电子与电子可以形成电子对，而电子对可以被看成是玻色子，电子对的玻色爱因斯坦凝聚被认为是超导电性的根源。除了用于解释超流和超导外，玻色爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域，如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色爱因斯坦凝聚现象的存在，但这些系统都很复杂，凝聚现象只部分地发生在这些系统中，系统中的强相互作用也趋于掩盖玻色爱因斯坦凝聚，理论和实验的定量都比较困难。 另一方面，自从1925年提出BEC以来，陆续有不少寻求 BEC实验实现的研究出现。首先是提出的超流态液氦，后来的实验中确实看到量子简并的特性，但是由于系统中存在着强相互作用，很难看成是纯的BEC。接着1959年有人提出自旋极化氢原子气体可能是 BEC的候选者，但至今仍未能在实验上实现。1980年，第三种重要的BEC候选者氧化亚铜(Cu2O)中的激子被提出。经过

4、10多年的努力，虽然于1993 年在实验上观测到了，但是由于复杂的相互作用过程，BEC的特性得不到很好的研究。 二、激光冷却和捕陷原子 如何才能观测到玻色爱因斯坦凝聚现象呢?爱因斯坦首先指出，理论上这需要原子的德布罗意波相互重合。这本来不是问题，但在形成玻色爱因斯坦凝聚之前原子有可能就已经形成了分子。为了避免这种强相互作用，要求原子间的距离比化学力的范围要大，而且它们的德布罗意波仍能相互重合，即德布罗意波长大于粒子间的平均间距。这就要求相密度必须大于一定的值。在给定原子密度条件下，存在一个极限温度Tc，当原子气体的温度T小于Tc 时，相密度大于规定的值，原子间的间隔小于德布罗意波长，原子气体将产生玻色爱因斯坦相变。这些都对实验提出了很高的要求，如何增加原子相密度、降低原子温度也正是实验上实现玻色爱因斯坦凝聚的关键。 在实验上，碱金属原子因具有简单的能级结构而在实现玻色爱因斯坦凝聚的研究中备受青睐。80年代中期，激光冷却和捕陷原子的研究已取得长足的进步，几个研究小组提出了冷却的碱金属原子可以形成只有很弱相互作用的BEC。在不断克服实现BEC 的一系列技术难题后，1995年碱金属原子的BE

5、C终于在实验上实现了，这是 BEC实验研究史上最重要的进展。 在过去的10多年中，激光冷却和捕陷原子技术的发展，使碱金属原子相密度增大了15个数量级，但距实现玻色爱因斯坦凝聚所需的值仍小105106倍。为了实现玻色爱因斯坦凝聚，美国科罗拉多大学物理系的威曼小组使用了混合的冷却方法。他们首先用激光冷却气体原子技术冷却原子，并用磁势阱将冷却原子捕陷于势阱中，然后用蒸发冷却技术使原子的温度和相密度达到发生玻色爱因斯坦凝聚的条件。 至今，激光冷却和捕陷原子的技术已有20年的发展史。从原理上讲，所有用激光去影响原子运动(冷却、捕陷等)的过程，都基于原子对光子的吸收、再发射，或者广义地说都基于散射而导致的反冲。1980年，全世界仅有几个研究小组进行这项工作，而现在已有100多个小组进行这项研究，原子气体的温度也从102K 降低到102K 。原子气体的温度在微观上对应于原子的平均速度，温度越高，原子的运动越快。室温下气体原子的平均速度约为每秒几百米，而实现玻色爱因斯坦凝聚需要把原子速度降到每秒几厘米甚至更慢。离开了激光冷却与原子捕陷技术，这是不可能做到的。美籍华裔科学家朱棣文、美国科学家威廉菲利普斯

6、和法国科学家克洛德科昂塔努吉因为在激光冷却和原子捕陷方面的贡献，荣获了1997年诺贝尔物理学奖。激光冷却气体原子的原理可简单地概括如下： 多普勒冷却机制，即利用原子运动所产生的多普勒频移来实现冷却效应。这种冷却机制受自然线宽限制，最低冷却温度可达到几十至几百微开(106K) 。 偏振梯度激光冷却机制，是基于光抽运、光频移等物理效应，在多能级原子系统中产生的冷却效应。原子飞过激光偏振状态不断变化的场时，总在不断地“爬坡” ，将动能转化为势能，经自发辐射出蓝移光子而被冷却。偏振梯度冷却可使原子气体温度冷却到小于多普勒冷却极限，达到几微开至几十微开。 速度选择相干粒子数囚禁冷却，是基于三能级原子在光的驱动下使原子处于相干叠加态，这时原子与光场脱耦，不再吸收光子，因而也无动量扩散。满足相干囚禁的原子速度接近于零，速度不为零的原子将吸收光子，原子动量将重新布居。只有当原子落入速度为零的相干叠加态时，原子才不再吸收光子而停留在相干叠加态上。这样，原子的动量可小于光子反冲动量，相应的气体温度可达1011K 。 与激光冷却技术同时发展起来的一种冷却原子的方法为蒸发冷却技术。这种方法是将平衡分布中的快速

7、原子从陷阱中排除(蒸发) ，在原子间弹性碰撞的过程中，达到新的准平衡分布。这时，气体的温度降低而且低速原子的密度增大。这是实现玻色爱因斯坦凝聚的重要步骤之一。如何使这些低速原子聚集在固定的区域内呢?囚禁超冷原子的技术起到了关键作用。目前常用的捕获原子的陷阱有两类，一类是光陷阱，另一类是磁陷阱。光陷阱的势垒深度较浅，在玻色爱因斯坦凝聚实验中多使用磁陷阱。磁陷阱是由一对反向联接的赫姆霍兹线圈构成，其中心的磁场强度为零。对于寻找弱场的原子在磁势场中将受力而囚禁于陷阱中心。 在实现玻色爱因斯坦凝聚的实验中，使用的是磁光陷阱，磁场用来束缚原子，而光场用来冷却和捕获原子。这种陷阱结构简单，造价低而且十分有效。囚禁的原子气体温度将小于1毫开(103K) ，原子的密度为 1010/厘米3。限制原子密度增大的因素是原子间的碰撞，特别是基态原子与激发态原子的碰撞。为了提高原子密度，美国麻省理工学院提出了暗点磁光陷阱，即在磁光陷阱中心超冷原子积聚的地方，减弱光抽运光强，使原子处于激发态的概率降低，由此来减小限制原子密度增加的因素，从而可收集到更多的原子，以增加原子密度。利用这种方法原子密度可提高到1012/

8、 厘米3。 然而，磁陷阱存在着一个严重问题，即由于磁陷阱的中心磁场强度为零，这里无磁场保持原子的排列，故囚禁的原子会漏出。此时，原子密度距产生玻色爱因斯坦凝聚的密度小4个数量级。为了克服这个缺陷，美国科罗拉多大学物理系的康奈尔提出增加一个旋磁场，使磁场零点偏离中心。这样，超冷原子就可停留在中心，且永远达不到零点而漏出。这就是时间平均轨迹势阱。 另一个阻塞漏孔的方法是，用一个蓝移光束经过陷阱中心，因为蓝移光束对原子的斥力可使原子远离漏孔。最近的玻色爱因斯坦凝聚实验采用约费型陷阱，效果很好。这种磁陷阱在轴向为磁瓶，而在径向为四极矩势阱，没有漏洞，这样就增加了原子在势阱中的数目。 3、冷原子物理的应用（一） 、可观测相干的物质波波长微观世界的粒子都具有波粒二相性。德布罗意波（物质波）波长h/mv，与粒子的动量呈反比。室温原子因为平均速度达到几百米每妙，其德布罗意波长为很小，大约为10 -12米量级，原子大多处在不同的量子态上，相干长度很短，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。当碱金属原

9、子被大量冷却到最低能态上从而产生玻色爱因斯坦凝聚时，这些最低能态原子会产生物质波干涉，这是人类第一次观察到事物粒子的物质波干涉现象。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低测量重力微小变化，以及引力波等等，将是未来航空航天技术必不可少的设备。（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。国际上已开展冷原子激光放大器的研究，获得了线宽远非常窄，单色性非常好的激光谱线。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”全球定位系统计划决定逐步采用冷原子钟，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。（三） 、单原子的俘获及操控 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。激光冷却技术恰恰弥补了这个缺陷。例如我们可以利用激光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。我们甚至可以利用激光俘获大生物分子如 DNA 等，取代上面某些原子，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

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