前言

將原子冷卻至超低溫，為基礎(chǔ)物理學(xué)、精密計(jì)量學(xué)和量子科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了大量機(jī)遇。

1975 年，H?nsch與Schawlow率先提出激光冷卻技術(shù)，這一成果成為原子操控領(lǐng)域的重大突破。該技術(shù)利用多普勒效應(yīng)，通過(guò)反向傳播的激光束，使朝向激光運(yùn)動(dòng)的原子產(chǎn)生頻移，進(jìn)而增強(qiáng)光子散射效應(yīng)，最終導(dǎo)致原子動(dòng)能降低。1985 年，朱棣文（Chu）等人驗(yàn)證了這一原理，成功將原子溫度冷卻至接近光子反沖極限的極低水平。

隨著激光冷卻技術(shù)的不斷發(fā)展，其冷卻極限已突破光子反沖極限，能夠在更低溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的操控。速度選擇布居俘獲 、受激拉曼躍遷等技術(shù)進(jìn)一步拓展了原子操控的可能性，為突破性實(shí)驗(yàn)提供了新途徑。

激光冷卻與原子俘獲的設(shè)計(jì)

在激光冷卻技術(shù)之外，原子俘獲技術(shù)涵蓋多種方法，可分別針對(duì)帶電粒子與中性粒子進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，帶電粒子俘獲裝置利用電場(chǎng)或電磁場(chǎng)中的庫(kù)侖相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)超高精度光譜分析，并用于探索量子效應(yīng)；中性原子俘獲裝置則借助輻射壓力、磁場(chǎng)力或光偶極力等相互作用，每種方法均為超冷原子量子物質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

光偶極阱

光偶極阱是原子俘獲機(jī)制的一種，其原理是利用電偶極子與遠(yuǎn)失諧光之間的相互作用實(shí)現(xiàn)原子俘獲。與輻射壓力阱、磁阱等其他俘獲機(jī)制相比，光偶極阱的俘獲能力更弱（典型阱深低于 1 毫開(kāi)爾文）。在特定條件下，該俘獲機(jī)制不受電子基態(tài)特定子能級(jí)的影響，這使得實(shí)驗(yàn)可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)秒）充分利用原子內(nèi)部基態(tài)的動(dòng)力學(xué)特性。此外，光偶極阱在俘獲幾何結(jié)構(gòu)上具有靈活性，可實(shí)現(xiàn)高度各向異性的勢(shì)阱或多阱勢(shì)場(chǎng)。

從歷史發(fā)展來(lái)看，Askar’yan于 1962 年在研究等離子體與中性原子相關(guān)問(wèn)題時(shí)，首次提出將光偶極力作為偶極阱中束縛機(jī)制的概念；1968 年，Letokhov進(jìn)一步提出利用光偶極力俘獲原子的設(shè)想，認(rèn)為可通過(guò)遠(yuǎn)離原子躍遷頻率的駐波，在其波節(jié)或波腹處實(shí)現(xiàn)原子的一維束縛。1970 年，Ashkin通過(guò)輻射壓力與偶極力的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微米級(jí)粒子的激光俘獲；隨后在 1978 年，他又提出了中性原子的三維俘獲方案。

1986 年，朱棣文等人開(kāi)展了開(kāi)創(chuàng)性研究，充分展現(xiàn)了光偶極阱在靈活性與精度上的優(yōu)勢(shì)。這類(lèi)阱利用遠(yuǎn)失諧光，將原子束縛在保守勢(shì)場(chǎng)中，對(duì)原子的擾動(dòng)極小，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的原子相互作用與高保真度實(shí)驗(yàn)，已成為原子俘獲、原子光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域不可或缺的工具。

各類(lèi)冷卻與俘獲技術(shù)探索

激光冷卻與俘獲領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)研究的發(fā)展，還為跨學(xué)科的新型應(yīng)用創(chuàng)造了條件。從解開(kāi)量子奧秘到實(shí)現(xiàn)對(duì)原子運(yùn)動(dòng)的前所未有的控制，這些技術(shù)持續(xù)突破原子物理學(xué)的邊界。

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可選擇多種俘獲與冷卻技術(shù)。例如，磁阱利用原子磁矩的取向特性實(shí)現(xiàn)俘獲；而聚焦激光束產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩，則可通過(guò)時(shí)變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)原子俘獲。這些技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，既包括低溫恒溫器，也涵蓋用于研究的原子束操控。

另一方面，1975 年H?nsch提出的輻射冷卻技術(shù)，通過(guò)光子散射實(shí)現(xiàn)原子操控 —— 原子在多次散射過(guò)程中損失能量與動(dòng)量，最終降低平動(dòng)溫度。這種冷卻方法在光譜分析與束流準(zhǔn)直領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

對(duì)帶電粒子與中性粒子的俘獲，是推動(dòng)不同能量尺度科學(xué)研究發(fā)展的關(guān)鍵。其中，離子阱的俘獲效果不受離子內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，為各類(lèi)實(shí)驗(yàn)研究提供了便利；對(duì)于中性原子，輻射壓力阱、磁阱、光偶極阱等不同俘獲機(jī)制兼具靈活性與精度，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)與高保真度研究。

為實(shí)現(xiàn)高效俘獲加載與維持所需的低溫環(huán)境及高相空間密度，研究中采用了多種冷卻方法，如多普勒冷卻、偏振梯度冷卻、蒸發(fā)冷卻等。此外，兩體與三體相互作用等碰撞過(guò)程，對(duì)阱中粒子的損失與熱平衡具有重要影響，為研究基礎(chǔ)碰撞過(guò)程提供了重要線索。

綜上可見(jiàn)，每種冷卻與俘獲技術(shù)都為實(shí)驗(yàn)工具庫(kù)提供了獨(dú)特貢獻(xiàn)，助力實(shí)現(xiàn)對(duì)俘獲粒子的精確控制與操控，以滿足各類(lèi)科學(xué)研究需求

基本加熱機(jī)制

與冷卻作用相反的是加熱效應(yīng)。加熱的一個(gè)主要來(lái)源是阱中光子的自發(fā)散射 —— 這一過(guò)程的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致輻射力產(chǎn)生漲落。在遠(yuǎn)失諧的偶極阱中，散射主要為彈性散射，即散射光子的能量與激光頻率一致，而非與原子的光學(xué)躍遷頻率匹配。原子對(duì)光子的吸收與自發(fā)再輻射過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生漲落，進(jìn)而導(dǎo)致整體加熱（米諾金與列托霍夫，1987）。

在近共振的強(qiáng)光場(chǎng)中（尤其是駐波結(jié)構(gòu)），光子在不同行波分量間的感應(yīng)重新分布會(huì)引發(fā)顯著加熱（戈登與阿什金，1980；達(dá)利巴爾與科恩 - 塔努吉，1985）。

除偶極阱中的基本加熱機(jī)制外，技術(shù)層面的加熱源于俘獲場(chǎng)的強(qiáng)度漲落與指向不穩(wěn)定性（薩瓦德等人，1997）。其中，強(qiáng)度漲落若發(fā)生在俘獲特征頻率的兩倍處，會(huì)通過(guò)參數(shù)共振激發(fā)原子的運(yùn)動(dòng)振蕩；而指向不穩(wěn)定性導(dǎo)致的勢(shì)場(chǎng)抖動(dòng)（頻率與阱頻率一致）則會(huì)增大原子的運(yùn)動(dòng)振幅。

在實(shí)驗(yàn)中，這些問(wèn)題的嚴(yán)重程度很大程度上取決于具體的激光源及其技術(shù)噪聲譜。因此，使用超低相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）的激光源至關(guān)重要。例如，Ampheia?系列激光在寬頻率范圍內(nèi)均具備超低相對(duì)強(qiáng)度噪聲特性。

激光捕獲與冷卻未來(lái)：前路何在？

在激光技術(shù)持續(xù)改進(jìn)的推動(dòng)下，激光俘獲與冷卻領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)顯著突破。該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一是噪聲誘導(dǎo)的加熱效應(yīng) —— 這種效應(yīng)會(huì)降低冷卻機(jī)制的效率。然而，隨著超低相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）激光源的研發(fā)，這一障礙正逐步被克服。這類(lèi)先進(jìn)激光能提供穩(wěn)定、精確的光場(chǎng)，對(duì)減少漲落與不穩(wěn)定性至關(guān)重要，從而顯著緩解基本加熱與技術(shù)加熱問(wèn)題。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)更高水平的激光俘獲與冷卻控制精度已成為可能，這將為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)與實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟新前沿。這一進(jìn)展不僅能增強(qiáng)我們維持超低溫環(huán)境的能力，還將助力探索此前無(wú)法觸及的物理現(xiàn)象，為量子力學(xué)的研究與應(yīng)用開(kāi)啟新紀(jì)元。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自，公眾號(hào)"光譜大偵探"《將原子冷卻至超低溫：用于量子領(lǐng)域的激光冷卻與原子俘獲技術(shù)》，版權(quán)歸原作者所有，僅用于學(xué)習(xí)、交流用途。如涉及版權(quán)問(wèn)題或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們（手機(jī)|微信：13697356016），我們將第一時(shí)間處理或刪除。