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早在中學物理課堂上，物理老師就告訴過我們，生活中接觸到的物質(zhì)通常是分子或者原子構(gòu)成的，而原子則是保持物質(zhì)的化學性質(zhì)的最小單位。舉個例子，游樂場所售賣的氦氣球中的氦氣，就是由氦原子構(gòu)成的單原子分子。這時候，氣球中的氦氣看起來像是完全靜止一般，然而其內(nèi)部的氦原子時刻處于不停歇的“熱運動狀態(tài)”，并且隨著環(huán)境溫度的升高，這些微觀粒子的熱運動速度也不斷增大。

說出來可能各位小伙伴不太相信，即使將這個氦氣球放在漠河最冷的氣溫下（-53℃，即大約220 K的溫度），其內(nèi)部的氦原子也在以超過每小時120 千米的速度進行高速隨機的熱運動。也就是說，這些微觀粒子的熱運動速度堪比高速公路上的小汽車！

因此，科學家們?nèi)绻刖_地調(diào)控單個原子，就不得不先將這個原子冷卻到接近絕對零度的水平（約為-273.15℃，即0 K），只有這樣才盡可能讓原子乖乖地靜止下來。那么，我們該如何才能讓運動速度超級快的原子，冷卻到如此之低的溫度極限呢？

答案就是——激光！你沒有看錯，更加準確的說法應(yīng)該是“激光多普勒冷卻”的方案。

01光竟然可以偏轉(zhuǎn)原子的軌跡？——奇妙的光子散射相互作用

在我們的傳統(tǒng)印象中，光子（光的基本“粒子”）的運動速度極快，并且自身攜帶的能量也極其微弱。因此，光相比于質(zhì)量較大的原子，光子要與其相互作用并發(fā)生能量交換，相當于“蚍蜉撼鉛球”，看起來會非常困難。

其實早在1933年，物理學家奧托·弗里希就首次利用鈉蒸氣燈發(fā)出的光線，成功使得一束鈉原子的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。盡管原子束軌跡的偏轉(zhuǎn)程度只有約1毫米，卻有力地證明了光子能夠與原子發(fā)生能量的傳遞。然而，要想完成這個偏轉(zhuǎn)原子軌跡的實驗并非易事，這就需要發(fā)出的光子與原子發(fā)生足夠強的散射相互作用才可以。

原子與光子相互作用的示意圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

簡單而言，每種原子的內(nèi)部都有不均勻的特定“能量階梯”——能級結(jié)構(gòu)，并且不同能級之間也具有特定的能量差。當這個原子遇到頻率剛好為的光子時，便會毫不客氣地“吃掉”這個光子，從而完成自身能級的躍遷。作為“貪吃”的代價，這個原子便會由于吸收光子過程中發(fā)生的碰撞，而改變自身原有的運動速度。更有趣的是，這個“貪吃”的原子很容易出現(xiàn)“消化不良”的癥狀，并且向四周隨機地“吐出”一個頻率同樣為的新光子，從而再次恢復(fù)到最初的能級狀態(tài)。其實，在原子物理學的研究中，原子內(nèi)部發(fā)生的上述過程有一個更加專業(yè)的名字——自發(fā)輻射。

原子發(fā)生“自發(fā)輻射”的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

而當這個原子接連遇到相同入射方向的多個頻率為的光子時，便會不斷地重復(fù)這種“自發(fā)輻射”的循環(huán)過程。隨著時間的積累，這個原子每次向不同方向隨機“吐出”新光子所受到的反作用力，幾乎會被平均抵消掉。這就意味著這個原子在完成多次循環(huán)后，整體上只感受到多次“吃掉”那一堆相同方向光子過程中所累加的碰撞作用力。這種持續(xù)的相互作用力，足以使得原子的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在上世紀的早期，由于當時的物理學家還無法得到能量密度更高的激光光束，因此只能完成原子軌跡的偏轉(zhuǎn)實驗。進入到20世紀70年代，伴隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，物理學家們也開始嘗試利用激光光束來與原子進行相互作用，希望對高速運動的原子實現(xiàn)減速作用。

02讓原子陷入光子的沼澤——光學黏團

然而，要想讓初速度很快的原子順利地“吃掉”迎頭飛來的光子，并不是一件容易的事情。這是因為在此時的原子看來，這個迎面飛來的光子會由于“多普勒效應(yīng)”而具有更高的頻率，因此無法“吃掉”這個光子（與自身的能級差不符合），也就意味著無法順利完成“自發(fā)輻射”的循環(huán)過程。

原子感受到光子具有更高的頻率

（圖片來源：作者自繪）

其實，這里提及的“多普勒效應(yīng)”我們并不陌生。舉個例子，當警車鳴笛靠近時，我們會感覺警笛聲的音調(diào)越來越高，即我們耳朵接受到的聲波頻率逐漸變大；而當警車鳴笛遠離時，警笛聲也會相應(yīng)變得越來越低沉，即我們聽到的聲波頻率逐漸變小。這種觀察者所感受到的輻射頻率隨著波源和觀察者之間的相對運動而產(chǎn)生的變化，最早是由奧地利物理學家克里斯琴·多普勒在1842年提出的，因此被稱為“多普勒效應(yīng)”。

“多普勒效應(yīng)”示意圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

因此，如果這個初速度很快的原子要想“吃掉”頻率恰好為的光子，那么考慮到上述存在的“多普勒效應(yīng)”，這個迎面飛來的光子本身頻率就需要略小于才可以順利完成“自發(fā)輻射”的循環(huán)過程。這樣一來，得益于“原子-光子”之間持續(xù)不斷的散射相互作用，這個原本速度很快的原子便會由于光子的阻擊而降低自身的速度。

受到這種多普勒冷卻方案的啟發(fā)，在1982年來自美國國家標準和技術(shù)研究所（NIST）的威廉·菲利普斯小組，在實驗上將原本沿著某一方向進行定向運動的鈉原子，從原本平均熱運動速度為每小時3600千米，首次成功降低至大約每小時144千米 （根據(jù)熱力學統(tǒng)計中的速度分布關(guān)系可知，鈉原子冷卻至大約70 mK，即0.07 K）。

對某一定向原子的減速只需考慮單個方向上的運動，而對整個原子團的冷卻則需要在三維空間中的前、后、上、下、左、右六個方向同時對其進行減速，這就要求三對反向傳播的激光光束同時作用。就在1985年，美國貝爾實驗室的朱棣文小組利用三對反向傳播的激光光束照射鈉原子的蒸氣團，并且在三對激光的交匯處成功冷卻了一團鈉原子，此時原子團的溫度低至多普勒冷卻的極限溫度（約0.00024 K），而這種特殊的原子團狀態(tài)也被稱為“光學黏團（optical molasses）”。

雖然，這種“光學黏團”的技術(shù)能夠高效地冷卻原子團，然而理論上它只能對原子團的運動起到阻礙作用（類似于讓原子陷入到光子的沼澤中），因此并非真正實現(xiàn)了對原子團的囚禁（原子團的壽命只能穩(wěn)定在秒量級）。這就意味著，要想將原子團長時間穩(wěn)定地囚禁在三維空間中，還需要空間中額外的指向激光交匯處的另一種相互作用才可以。

03磁光阱：光學黏團和靜磁場的完美結(jié)合

在1987年，朱棣文小組與麻省理工學院的普里查德小組合作，在實驗上采用了光學黏團與空間中梯度分布的靜磁場相結(jié)合的方案，從而成功實現(xiàn)了原子團的冷卻和囚禁，而這種結(jié)合了梯度靜磁場與光學黏團的原子陷阱，也被稱為“磁光阱（MOT）”。

“磁光阱”的示意圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

具體而言，磁光阱中三對反向傳播的激光光束交匯處的磁場為零，并且原子團在勢阱中心所受到的平均散射也為零。通過精確地調(diào)控三維空間中靜磁場的梯度分布，能夠使得勢阱邊緣處的原子由于受到磁場的反向牽制，就不會向外逃逸。

也就是說，磁光阱一方面利用光學黏團讓原子冷靜下來，另一方面又借助梯度磁場來將原子團推向勢阱的中心，從而實現(xiàn)對于原子團的“冷卻+囚禁”復(fù)合作用。

正是得益于磁光阱技術(shù)的發(fā)明，物理學家們才有機會對微觀粒子實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定囚禁，從而為微觀粒子的精確調(diào)控提供了可能性，并且推動了量子信息技術(shù)的發(fā)展。也正是憑借著在激光冷卻和囚禁原子方面的突出貢獻，朱棣文和威廉·菲利普斯分享了1997年的諾貝爾物理學獎三分之二的獎金。

結(jié)語

然而，經(jīng)過多普勒冷卻后的原子速度仍不為零，并且存在自身的溫度極限，也被稱為“多普勒溫度極限”。這是因為對于原子而言，雖然在多次自發(fā)輻射中的反沖作用被平均掉了，但是原子總是在不斷吸收光子和自發(fā)輻射，從而使得原子處于隨機行走的狀態(tài)，而無法真正的完全靜止下來。

一般而言，原子在經(jīng)過多普勒冷卻后，其自身的溫度極限在幾百個μK（微開爾文，）的量級。要想進一步降低原子的冷卻極限，就需要在完成多普勒冷卻之外，再次引入更加強大的“亞多普勒冷卻”。

那么，物理學家們又是如何大開腦洞，在實驗上成功將原子的溫度進一步降低至μK甚至是nK（納開爾文，）量級的呢？那就讓我們在下一篇文章中共同探索“亞多普勒冷卻”的奧秘吧！

參考文獻

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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.

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[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] (亞多普勒冷卻) 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：欒春陽 清華大學物理系博士

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司

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