更冷：物理学家如何突破激光冷却的理论极限并为量子革命奠定基础 – 物理世界

1960 世纪 XNUMX 年代末，一小群研究人员开始利用光的力量来推动小物体。 在接下来的十年内，该领域扩展到包括激光冷却，这是一种利用激光冷却的强大技术 多普勒频移 产生一种只能使物体减速而不能加速物体的力。 随着时间的推移，这些新的激光冷却实验沿着两条平行的轨道——离子和原子——发展起来。 本系列的第 1 部分：“冷：物理学家如何学会通过激光冷却来操纵和移动粒子”.

在许多方面，离子具有早期优势。 由于它们带有电荷，它们会受到电磁力的作用，电磁力足够强大，足以让它们在高温下被困在电磁陷阱中，并被紫外线波长的激光冷却。 到 1981 年，离子捕获器已将这项技术改进到可以捕获和检测单个离子，并以前所未有的精度对其进行光谱分析。

相比之下，原子需要减速才能被光和磁场施加的较弱的力捕获。 尽管如此，到了 1985 年 比尔菲利普斯 和同事 美国国家标准局 马里兰州盖瑟斯堡的研究人员利用光使一束钠原子几乎停止，然后将它们限制在磁阱中。 除此之外，未来的原子驯服者面临的主要挑战似乎包括在这项工作的基础上提高中性原子的捕获效率，并突破冷却过程本身的极限。

这两个项目的成功都超出了任何人的预期。 正如我们在第 1 部分中看到的，这一成功的根源可以追溯到 亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin） at 贝尔实验室.

想法很好，执行力不够

我们上次见到阿什金是在 1970 年，当时他刚刚开发出“光镊”技术，该技术使他在近 50 年后获得了诺贝尔奖。 1970 世纪 XNUMX 年代末，他与贝尔实验室的同事一起进行涉及原子束的实验。 “里克·弗里曼 阿什金当时的同事约翰·比约霍姆 (John Bjorkholm) 回忆道：“我有一台原子束机器，我做了一些用原子束做的有趣实验，但我对建造一台原子束机器不太热衷。”

阿什金和比约克霍尔姆表明，通过将激光束与原子束重叠，可以通过调整光的频率来聚焦或散焦原子。 当激光调谐到红色时（频率略低于原子“想要”吸收的频率），原子和光之间的相互作用会降低原子的内部能量（“光移”），将原子吸引到激光束中。 当激光调至蓝色时，原子被推出。

阿什金有几个想法可以将这种现象转化为捕获原子的“全光学”方法（即不使用菲利普斯小组使用的磁场）。 不幸的是，阿什金和比约克霍尔姆很难实现它，因为弗里曼的原子束是用有机玻璃窗建造的，无法承受足够低的压力。 从外部泄漏进来的原子和分子不受冷却激光的影响，因此，当它们与光束中的原子碰撞时，它们会将目标原子踢出陷阱。 经过几年令人失望的结果后，贝尔实验室领导层对实验感到不满，并迫使阿什金追求其他目标。

游泳者在粘稠液体中

大约在这个时候，一位年轻的研究人员（自称）被誉为“能够完成困难实验的人”，搬进了贝尔实验室霍姆德尔工厂阿什金附近的一间办公室。 他以前的名字是 史蒂夫楚，他对阿什金的想法产生了兴趣。 他们共同构建了一个适合原子冷却和捕获的超高真空系统，以及一个通过快速扫描激光频率来减缓钠原子速度的系统，以补偿多普勒频移的变化。 后一种技术被称为“线性调频冷却”； 巧合的是，开发其一项关键技术的科学家也在 Holmdel。

此时，Chu 建议他们通过用三对垂直的反向传播激光束照射原子来预冷却原子，所有激光束都调谐到略低于第 1 部分中讨论的原子跃迁频率的频率。这种配置提供了冷却力同时在所有三个维度上：向上移动的原子看到向下的激光束多普勒向上移动，吸收光子并减慢速度； 向左移动的原子看到向右移动的光束中的光子向上移动，依此类推。 无论原子以哪种方式移动，它们都会感受到一股反对其运动的力。 由于与游泳者在粘性液体中的困境相似，朱将其称为“光学糖蜜”（图 1）。

贝尔实验室团队于 1985 年展示了光学糖蜜，从线性调频冷却光束中收集了数千个原子。 顾名思义，光学糖蜜非常“粘”，可以将原子保持在重叠光束中大约十分之一秒（在原子物理学中实际上是永恒），然后它们就会消失。 在糖蜜区域，原子不断吸收和重新发射来自冷却激光器的光，因此它们看起来像弥漫的发光云。 光的总量可以轻松测量原子数量。

阿什金、楚和他们的合作者还能够估计原子的温度。 他们通过测量糖蜜中的原子数量，短时间关闭灯，然后重新打开灯并重新测量数量来做到这一点。 在黑暗期间，原子云会膨胀，一些原子会逃离糖蜜束的区域。 这个逃逸率使团队能够计算出原子的温度：大约 240 微开尔文——正好符合激光冷却钠原子的预期最低温度。

将糖蜜变成陷阱

尽管具有粘性，光学糖蜜并不是陷阱。 尽管它减慢了原子的速度，但一旦原子漂移到激光束的边缘，它们就可以逃脱。 相比之下，陷阱提供取决于位置的力，将原子推回到中心区域。

创建陷阱的最简单方法是使用紧密聚焦的激光束，类似于阿什金开发的用于捕获微观物体的光镊。 虽然激光焦点的体积只占糖蜜体积的一小部分，但 Ashkin、Bjorkholm 和（独立地）Chu 意识到，通过糖蜜中的随机扩散，仍然可以在这样的陷阱中积聚大量原子。 当他们向糖蜜中添加一束单独的捕获激光束时，结果令人鼓舞：弥散的糖蜜云中出现了一个小亮点，代表数百个被捕获的原子。

然而，超越这一点就带来了技术挑战。 问题是，原子能级的变化使得单束光捕获成为可能，这阻碍了冷却过程：当捕获激光降低原子基态的能量时，它改变了冷却激光的有效频率失谐。 使用第二个激光器以及冷却和捕获之间的交替可以增加可以捕获的原子数量，但代价是增加了复杂性。 为了取得进一步的进展，物理学家需要更冷的原子或更好的陷阱。

法国联系

两者都在地平线上。 克洛德·科恩-坦努吉 和他在巴黎高等师范学院 (ENS) 的团队主要从理论角度解决激光冷却问题。 让·达利巴，当时是该小组的新博士，他记得研究过阿什金的理论分析和 吉姆·戈登 （“一篇精彩的论文”）由苏联二人组 V拉迪伦·莱托霍夫 (ladilen Letokhov) 和弗拉基米尔·米诺金 (Vladimir Minogin)（与鲍里斯·D·帕夫利克 (Boris D Pavlik)）早在 1977 年就得出了激光冷却可达到的最低温度。

正如我们在第 1 部分中看到的，这个最低温度被称为多普勒冷却极限，它源于原子在吸收其中一束冷却光束的光后重新发射光子时发生的随机“踢”。 达利巴德对这个“极限”到底有多严格感到好奇，他寻找尽可能让原子“处于黑暗中”的方法。 为此，他利用了标准多普勒冷却理论未捕获的真实原子的一个特性：真实原子态不是单一能级，而是具有相同能量但不同角动量的子能级的集合（图 2）。

这些不同的子能级或动量状态会在磁场存在时改变能量（塞曼效应）。 随着磁场变得更强，一些状态的能量增加，而另一些状态的能量则减少。 当磁场方向反转时，这些角色就会翻转。 另一个复杂的因素是激光的偏振决定了哪些子能级将吸收光子。 一种极化以增加角动量的方式使原子在状态之间移动，而另一种则减少角动量。

在他的理论分析中，达利巴德将这些子能级与磁场结合起来，该磁场在某个点为零，并随着原子向外移动而增加。 在此过程中，他创造了一种情况，即有效激光频率失谐取决于原子的位置。 （菲利普斯和他的同事在他们的磁阱中使用了类似的配置，但在更高的磁场下。）因此，原子只能在失谐、多普勒频移和塞曼频移组合恰到好处的特定位置吸收特定的激光（图 3）。

达利巴德希望通过这种方式限制原子吸收光的能力可能会降低它们的最低温度。 在他估计不会的之后，他就放弃了这个想法。 “我看到这是一个陷阱，但我不是在寻找陷阱，我是在寻找亚多普勒冷却，”他解释道。

如果不是的话，事情可能就到此为止了 戴夫·普里查德麻省理工学院的物理学家，于 1986 年访问了巴黎小组。在访问期间，Pritchard 发表了关于生产更大体积陷阱的想法的演讲，最后表示他欢迎其他更好的建议。

“我去找戴夫，我说‘好吧，我有一个想法，我不太确定它是否更好，但它与你的不同，’”达利巴德回忆道。 Pritchard 将 Dalibard 的想法带回美国，并于 1987 年和 Chu 根据 Dalibard 的分析建造了第一个磁光陷阱（MOT）。 达利巴德被邀请担任最终论文的共同作者，但他很高兴能在致谢中得到认可。

MOT 对于激光冷却的发展具有多么革命性的意义都不为过。 这是一种相对简单的设备，只需要单一激光频率和相对较弱的磁场即可产生强陷阱。 不过，最重要的是它的容量。 朱和阿什​​金的第一个全光陷阱容纳了数百个原子，菲利普斯的第一个磁陷阱容纳了数千个原子，但第一个磁光陷阱容纳了千万个原子。 随着科罗拉多大学 Carl Wieman 推出廉价二极管激光器（本系列第 3 部分将详细介绍），MOT 的出现引发了全球研究激光冷却的团体数量的迅速增长。 研究的步伐即将加快。

墨菲定律放假了

当普里查德和楚建造第一个 MOT 时，菲利普斯和他的盖瑟斯堡同事的光学糖蜜遇到了一个极其不寻常的问题。 与实验物理学的所有期望相反，糖蜜的效果太好了。 事实上，即使部分光束被部分阻挡，它也可以冷却原子。

这一发现的部分原因是激光冷却应该是菲利普斯的副业项目，因此他的实验室设立在与机械车间相连的准备室中。 为了防止车间灰尘和油脂积聚在实验室的真空系统上，该小组的成员会在晚上用塑料或滤纸覆盖系统的窗户。 “有时你会得到这种看起来非常扭曲的糖蜜，”回忆道 保罗·莱特1986 年加入该小组，“然后你就会意识到，哦，我们没有把那张滤纸拿出来。 令人惊奇的是它居然起作用了。”

这种令人惊讶的持久性促使莱特推动一项更系统的研究，包括一套新的温度测量。 贝尔实验室小组开发的“释放和重新捕获”方法具有相对较大的不确定性，因此菲利普斯小组尝试了一种新方法，其中包括检测原子穿过放置在糖蜜附近的探测光束时发出的光。 当糖蜜关闭时，原子就会飞走。 它们到达探测器所需的时间可以直接测量它们的速度，从而测量它们的温度。

与所有激光冷却实验一样，菲利普斯的实验室将大量的透镜和镜子装在一个狭小的空间中，而最方便放置探头的位置被证明是在糖蜜区域的稍上方。 对于以多普勒极限速度运动的原子来说，这应该很有效，但是当莱特尝试这个实验时，没有原子到达探测器。 最终，他和他的同事将探测器的位置转移到糖蜜下方，此时他们看到了一个美丽的信号。 只有一个问题：多普勒冷却极限为 240 微开尔文，但这种“飞行时间”测量显示温度为 40 微开尔文。

这个结果似乎违反了墨菲定律“任何可能出错的事情都会出错”的格言，所以他们不愿意立即接受。 他们使用几种不同的技术重新测量温度，包括改进的释放和重新捕获技术，但他们不断得到相同的结果：原子比理论所说的可能温度低得多。

1988 年初，菲利普斯和公司联系了激光冷却器紧密社区中的其他团体，要求他们检查自己实验室的温度。 Chu和Wieman很快证实了这个令人惊讶的结果：光学糖蜜不仅可以冷却原子，而且比理论所说的效果更好。

爬上一座小山

巴黎小组还没有一个实验计划，但 Dalibard 和 Cohen-Tannoudji 通过 Dalibard 用于开发 MOT 的相同现实因素：多个内部原子态，从理论上解决了这个问题。 钠的基态有五个具有相同能量的子能级，原子在这些状态之间的分布取决于光的强度和偏振。 这种分布过程被称为“光泵浦”，是 Cohen-Tannoudji 在巴黎 ENS 进行的光谱研究的核心，因此他的团队非常适合探索这些附加状态如何改善激光冷却。

关键特征是激光的偏振，在经典物理学中对应于光的振荡电场的轴。 六个反向传播光束的组合产生了复杂的偏振分布，因为光束在光学糖蜜内的不同位置以不同的方式组合。 原子不断地被光学泵浦成不同的结构，延长冷却过程并允许更低的温度。

到 1988 年夏天，Dalibard 和 Cohen-Tannoudji 设计了一个优雅的模型来解释亚多普勒冷却。 （Chu 独立地得出了类似的结果，他回忆起在欧洲两次会议之间的火车上得出的结果。）他们考虑了一个只有两个基态子能级的简化原子，传统上标记为 – XNUMX/XNUMX 和 + XNUMX/XNUMX，由传播的两束激光束照射。具有相反线性偏振的相反方向。 这将创建一个在两个偏振态之间交替的图案，标记为 σ^– 和σ⁺.

σ 区域中的原子^– 偏振将被光学泵浦至 –½ 态，该态会经历较大的光移，从而降低其内部能量。 当原子向 σ 移动时⁺ 偏振区，光移减小，原子必须减慢速度来补偿，失去动能来补偿内能的增加，就像球滚上山一样。 当达到σ⁺ 光，光泵浦将使其切换到+ XNUMX/XNUMX状态，该状态具有较大的光偏移。 原子无法取回从 σ 爬上“山”时失去的能量^– 不过，随着过程重新开始，它的移动速度会变慢：当它移向下一个 σ 时，光移会减小^– 区域，因此它会损失能量，然后光学泵浦到 –½，依此类推。

这种通过不断爬“山”而失去能量的过程有一个生动的名字：达利巴德和科恩-坦努吉将其称为“西西弗斯冷却”，源自希腊神话中的国王，他被判永远将一块巨石推上山，结果却发生了岩石滑落。离开并返回底部（图4）。 光学糖蜜中的原子发现自己处于类似的困境，总是爬山并失去能量，只是为了通过光学泵浦将它们返回到底部并迫使它们重新开始。

西西弗斯的奖赏

西西弗斯冷却背后的理论对最低温度以及它们如何依赖激光失谐和磁场做出了具体预测。 这些预测很快得到了世界各地实验室的证实。 1989 年秋 美国光学学会杂志 B 发表了有关激光冷却的特刊 包含盖瑟斯堡菲利普斯小组的实验结果、巴黎的西西弗斯理论以及楚小组的实验和理论相结合的论文，该小组当时已从贝尔实验室转移到加利福尼亚州斯坦福大学。 在接下来十年的大部分时间里，这一特刊被视为学生寻求了解激光冷却的权威来源，Cohen-Tannoudji 和 Chu 继续分享 1997年诺贝尔物理学奖 与菲利普斯。

在极限情况下，西西弗斯效应可以将原子冷却到一个程度，使它们不再有足够的能量来爬上一座“山”，而是被限制在单一极化的一个微小区域内。 这种限制与捕获离子一样严格，使得激光冷却的两个分支很好地对称。 到 1990 世纪 XNUMX 年代初，被捕获的离子和中性原子都可以被冷却到其量子性质变得明显的状态：陷阱中的单个离子，或西西弗斯冷却中创建的“井”中的原子，只能存在于某些离散能量中状态。 很快就对这两个系统测量了这些离散状态。 如今，它们已成为原子和离子量子计算的重要组成部分。

另一个有趣的研究途径涉及油井本身。 这些是在光束干涉时形成的，并且自然地以激光波长一半的间距出现在大型阵列中。 这些所谓的光学晶格的周期性性质模仿了固体物质的微观结构，其中原子在晶格中扮演着电子的角色。 这种相似性使得被捕获的原子成为探索超导等凝聚态物理现象的有用平台。

然而，要真正探索冷原子的超导性，晶格中必须装载比西西弗斯冷却所能达到的更高密度和更低温度的原子。 正如我们将在第 3 部分中看到的，实现这一目标将需要另一套新的工具和技术，并且将开启不仅创造已知系统的类似物，而且创造全新物质状态的可能性。

• 激光冷却历史的第 3 部分 乍得·奥泽尔 即将发布于 物理世界

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/