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量子革命的基础：激光冷却史（上）
光子盒研究院
激光冷却技术的出现彻底改变了原子物理学领域，改变了原子钟和全球定位系统技术，并为利用原子和离子进行量子计算奠定了基础。
只需用光照物体，就能降低其温度，这种想法真是光彩夺目、完全违反直觉。这甚至让物理学家都感到惊讶：原子物理学家、美国纽约石溪大学的特聘教学教授Hal Metcalf第一次听说我们现在所知的“激光冷却”概念时，他确信是胡说八道。
Metcalf最初的困惑是可以理解的。虽然使用能量来冷却某些东西当然是家常便饭（我们日常的冰箱就是这么做的），但使用光来冷却粒子气体、使其温度比绝对零度高出零点几分之一，这种想法甚至让经验丰富的物理学家也会挠头。温度是任何系统中粒子平均能量的度量，而在物理学和大众文化中，我们通常认为激光是一种为系统增加能量的工具：将电子提升到更高的轨道，或在科幻电影中将飞船炸成蒸汽。似乎难以想象的是，用聚光照射气体反而可以消除气体的部分能量。
不过，通过几位诺贝尔奖获得者的努力和智慧，激光冷却是完全有可能实现的，而且其回报也是巨大的。在近50年的时间里，激光冷却已经彻底改变了原子、分子和光学物理领域。通过激光冷却原子和离子，原子钟的精度实现了巨大飞跃，从而可以对基础物理学进行新的测试，并通过全球定位系统(GPS)对基于时钟的导航进行潜在改进；它为超流和超导等量子力学现象的研究开辟了新途径，帮助我们探索传统材料无法轻易进入的状态。
最近，它还为研究量子信息和量子计算提供了当前最好的平台之一，量子信息和量子计算是当前最热门的技术领域之一，吸引了政府机构和大公司数十亿美元的资金。将原子冷却到绝对零度以上百万分之一或十亿分之一的范围内，就能以前所未有的精度测量它们的量子性质和属性——所有这些都使原子和分子物理学站在了量子科学的前沿。
激光冷却背后的基本物理学原理可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦在1917年观察到的现象：光子（光的基本“粒子”）必须携带动量，而这种动量可以用来改变原子的运动。1933年，Otto Frisch利用钠蒸气灯发出的光线使一束钠原子发生偏转，在这一令人叹为观止的实验中证明了这种动量传递。然而，偏转的程度（约1毫米）非常微小，因此，利用光推动原子旋转的想法仍然是一个奇思妙想。这种情况一直持续到1960年：激光的发明带来了足够明亮的光源，从而产生了巨大的力。
贝尔实验室作为创新和基础研究中心，在20世纪60年代末的鼎盛时期，其物理学家Arthur Ashkin认真地开始了用光操纵物质的研究。当时，一家电信公司花钱雇人研究光对原子的作用力，这个概念并不像今天这样离奇。Ashkin当时的同事John Bjorkholm回忆说：“基本上，我们得到的指示是：‘你们想做什么就做什么，但必须是世界一流的’。”
通过一些反向计算，Ashkin意识到激光光子从微观物体上反弹所产生的力可能非常大。受此鼓舞，他开始用氩激光和水中的聚苯乙烯珠子进行实验。正如所预料的那样，激光推动珠子穿过水面，将它们“钉”在容器的下游窗口上。
Ashkin于1970年发表了他的第一项成果，证明激光既能加速珠子，又能将它们困在两束传播方向相反的激光束之间的区域。在随后的几年里，他和贝尔实验室的同事们又证明了用垂直光束悬浮小物体，以及在紧密聚焦的激光束中心捕获小物体。后一种技术可以通过移动聚焦点来操纵粒子，现在被称为“光学镊子”；此后，这项技术在生物学中得到了广泛应用。
2018 年，Ashkin因“光学镊子及其在生物系统中的应用”而获得了诺贝尔物理学奖。
Ashkin的工作开启了光对微观物体作用力的研究，但对于更小的物质，接力棒则传给了另外两个小组：一个是由斯坦福大学的Theodor Hänsch和Arthur Schawlow领导的小组（他们后来都因激光光谱学的研究获得了各自的诺贝尔奖：Schawlow于1981年获奖，Hänsch于2005年获奖）；另一个是由华盛顿大学的Hans Dehmelt和Dave Wineland领导的小组。两组论文都发表于 1975 年（由于Dehmelt与审稿人的不愉快经历，后者是作为会议发言摘要发表的），他们考虑的情况从表面上看大相径庭。Hänsch和Schawlow思考的是激光对中性原子的影响，而Wineland和Dehmelt关注的是电磁陷阱中的离子。
无论如何，关键的物理学原理是相同的。如果将激光调谐到刚好低于特定粒子吸收频率的光频（“红色失谐”），静止的原子或离子就不会吸收它的光。然而，当粒子逆光 “逆流”运动时，它们会“看到”光的频率多普勒向上偏移，从而更有可能吸收光子。当吸收发生时，所产生的动量“踢力”的方向必然与原子或离子的速度相反，因此粒子会减速。最终的效果是，激光只会让物体减速，而不会让它们加速；速度的降低与温度的降低相对应，而温度是气体中原子平均能量的量度。
1977年，三位苏联科学家(Vladilen Letokhov、Vladimir Minogin 和 Boris D Pavlik Optics Comms)发表了对冷却力的首次完整描述，包括对后来被称为“可达到的最低温度”或“多普勒冷却极限”的推导。随后又进行了许多其他计算，都表明绝对零度以上的下限为一毫开尔文或几百微开尔文。在接下来的十年中，这一预期将决定整个科学界的目标——然而，事实证明它错得离谱。
1975年底，Wineland来到科罗拉多州博尔德市，在当时的国家标准局（1988年更名为美国国家标准与技术研究院，简称 NIST）任职。新工作拥有丰厚的研究经费和极大的自由度。虽然Wineland的主要职责是支持和评估铯原子钟（当时是美国的主要频率标准），但他回忆说：“雇用我的人想尝试一些新东西，比如激光冷却。”
在老板的支持和海军研究办公室的资助下，Wineland开始了激光冷却捕获离子的实验。这需要三个要素：他在与Dehmelt的合作中熟悉的离子阱；一个用于容纳阱并确保只有相关元素离子存在的真空系统（由于冷却机制取决于原子的特征频率，因此其他元素不会受到光的影响）；以及一个用于冷却捕获离子的激光系统。Wineland自己也承认，他“对激光一无所知”；因此，他聘请了NIST的化学家Bob Drullinger担任实验的“激光工程师”。Drullinger后来表示：“当时的激光还很原始。”
Drullinger组装了一套系统，可以产生足够的紫外线来演示激光对镁离子样品的冷却——即使在今天，这也不是一个简单的过程，可以想象在1977年，这更是一项重大挑战。根据Drullinger的说法，他和Wineland花了大约六周的时间，从一间空房间和许多装在板条箱里的设备开始紧张的工作，才准备好第一次尝试冷却离子。
最初的实验使用了一团约有50,000个捕获镁离子的云。为了监测离子的行为，Drullinger和Wineland测量了离子在捕集电极中随机运动所引起的电流。离子运动得越快、产生的电流就越大，因此它们产生的信号基本上是随机噪声，总体水平取决于离子云的温度。
Drullinger回忆说，仪器组装完成的第一个晚上，他们几乎是在午夜时分才把一切准备就绪。我们将再次看到中性原子的冷却过程，这在此类实验中是相当典型的。Drullinger和Wineland启动了阱、打开了激光器，并立即看到了他们预期的冷却特征。“我们进行了第一次扫描，然后砰的一声！就在那里，在红色调谐激光的照射下，热运动产生的噪音急剧下降，低到我们甚至无法估计离子的温度。当我们改变激光频率，使其变成蓝色调谐时，被捕获的离子升温了，与预期完全一致。”
——这是一次巨大的成功。
当然，事情并没有那么简单。在进行了初步测量后，Drullinger和Wineland就收工了。第二天，信号更差了，激光产生了效果，但没有那么明显；第三天晚上，他们什么也没看到。虽然电子信号显示离子被困住了，但激光似乎一点作用也没有。
他们感到困惑和失望，于是拆掉仪器，重新组装。最终，他们发现了问题所在：他们已经耗尽了镁的供应。事实上，为了继续捕获离子，他们把失效的镁源的温度推得很高，以至于钠离子开始从真空室的玻璃端口沸腾而出。钠和镁的原子质量几乎相同，因此捕获离子信号看起来很相似，但它们吸收光的频率却截然不同，所以Drullinger和Wineland事实上没有冷却任何东西。于是，他们用镁重新装载了离子源，一旦重新开始捕获正确的元素，冷却信号就恢复了。
Drullinger和Wineland写下了他们的研究结果，并将其提交给了《物理评论快报》。奇怪的是，德国海德堡的一个竞争对手小组也在进行激光冷却实验，两个小组的论文相隔一天才发表在《物理评论快报》上：先是海德堡小组关于钡离子的论文，然后是Boulder三人组关于镁的论文。但幸运的是，海德堡论文（Phys. Rev. Lett. 41 233）的编辑过程花费了更长的时间，因此Wineland、Drullinger和Walls的论文于1978年6月率先付印。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.40.1639
有时，一个发现的全部意义需要一段时间才能显现出来；而这一次，几乎是立竿见影。Drullinger回忆说，在第一个深夜，他和Wineland花了一些时间“坐在那里享受这一刻。我们坐在桌子的两边，房间里一片漆黑，只有激光的光芒。我急切地想进入下一步，但我无法立即想出那是什么。于是我问，‘我们该何去何从？’慢慢地，他的脸上露出了一丝笑容，然后说：‘斯德哥尔摩’。”
Wineland是对的。2012 年，他因“能够测量和操纵单个量子系统的开创性实验方法”而分享了诺贝尔物理学奖。
然而，Wineland的获奖并不是因激光冷却而授予NIST物理学家的第一个诺贝尔奖。这项殊荣归功于20世纪80年代中期发生在美国另一端的工作。
就在Wineland的研究小组在博尔德开始工作的同时，Bill Phillips正在麻省理工学院(MIT)完成他的博士学位。在Phillips答辩后的庆祝会上，他的导师开玩笑说，幸好他在攻读博士学位期间做了一个关于激光的副项目；因为，如果他唯一的工作就是他原来的磁共振项目，那么他最后就会“被困在国家标准局”。
事实上，Phillips最终确实进入了国家标准局，不过是在马里兰州，而不是科罗拉多州的博尔德。和Wineland一样，他也是受雇于一个核心项目——改进电流单位安培的测量方法，用他的话说，他可以花一些时间“玩玩原子物理”；于是，他建立了一个激光冷却钠原子的小型实验室。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.40.729
Phillips的灵感来自1978年的一篇论文，Ashkin在这篇论文中提出在两束紧密聚焦的激光束之间捕获中性原子。中性原子比离子更难捕获，因为离子带有电荷，会受到来自磁场或高压电极的巨大力量。在不带电荷的情况下，原子能轻易受到的唯一作用力来自散射力（光子被吸收时的动量传递）和偶极子力（在光的作用下降低原子的内能，从而将其拉向光束中心）。这两种力都相对微小。因此，制造一个足够强大的光学陷阱来捕捉热蒸汽中快速移动的原子是一件非常棘手的事情。
尽管如此，Phillips还是被这个想法打动了。在麻省理工学院做博士后期间，他甚至对这一想法进行了短暂的探索，但最后得出的结论是，这个问题比他最初想象的要复杂得多，最好将其归档、等他拥有自己的实验室时再解决。他在试运行过程中遇到了两个问题，与当时流行的激光冷却的简单图景不同。其一是使冷却成为可能的多普勒频移。钠原子束以接近1000米/秒的速度从烘箱中射出。这使得光束减速所需的光频产生了巨大的多普勒频移。但当原子吸收光子并减速时，多普勒频移就会减小，冷却效果就会减弱。在每秒减慢几米之后，原子就不再吸收光线，减慢速度的作用也就停止了。
第二个问题是，多普勒冷却概念设想原子只有两个能级：基态和激发态。但真正的原子有多个低能态，其中只有一个能吸收激光发出的光。因此，在吸收光子和再发射光子几个周期之后，原子往往会衰变为“暗”态，停止与激光的相互作用。
当Phillips准备再次尝试冷却原子时，其他研究小组已经找到了一些潜在的解决方法。事实证明，多态问题的解决相对简单：在实验中添加第二个“回流器”激光器，将原子从暗态返回到亮态，这样就可以恢复减速。解决多普勒频移问题则比较棘手。可能的解决方案包括在慢化光束中使用较宽的频率范围（“白光冷却”）和扫描冷却激光的频率以跟随多普勒偏移的变化（“啁啾冷却”），但这两种方法都需要对激光源进行昂贵而复杂的修改。
Phillips选择了第三种方法，他称之为“唯一的好主意”：他没有根据原子的速度变化来调整激光的频率，而是利用磁场来调整原子的频率，使之与激光的频率相匹配。之所以能够做到这一点，是因为存在着泽曼效应：置于磁场中的中性原子，其能级上下移动的幅度取决于磁场的强度。
得益于这种泽曼偏移，锥形磁场可以在原子减速时补偿多普勒偏移的变化。在靠近热源的地方，原子的运动速度非常快，多普勒频移也很大，因此磁场非常大，从而产生很大的能量偏移；而在远端，原子移动速度很慢，场就小得多，多普勒偏移和泽曼偏移都很小。因此，只要选择正确的场，同一束激光就能与两组原子相互作用，从而延长冷却过程。
这一方法还有一个好处。除了补偿多普勒偏移外，所谓的泽曼慢速磁场还能改变原子的能级，几乎完全消除了再泵送的需要。只需使用散射光，沿着锥形电磁铁内孔照射的单束激光就能使钠原子束几乎完全停止。“其他一切都只是运气，”Phillips反思道：“但（泽曼减速）实际上是个好主意。”
Phillips和Metcalf接下来将注意力转向了捕获原子。他们利用放置在真空室中的两圈导线，将原子与周围环境隔绝开来，从而产生了一个中心为最小值的磁场。其结果同样是发生了泽曼偏移，但这一次它不仅弱地捕获了原子，而且还减慢了它们的速度。为了使原子从中心向外移动，它必须增加其轨道上电子的能量，而增加电子的能量必须来自它的运动，从而减慢它的速度。最终，它停了下来，并逆转方向，回到陷阱中心。
与几年前的Wineland和Drullinger一样，Phillips和Metcalf也是在深夜首次尝试磁捕捉。
在这种情况下，每次实验运行都包括打开激光一秒钟，使原子减速，然后关闭激光、打开磁性阱，再等待几十毫秒，然后再打开另一个激光脉冲，寻找阱中原子发出的荧光。激光脉冲的顺序是由一个旋转的纸板圆盘控制的，圆盘上在适当的位置开了孔；经过漫长的一天，他们终于掌握了所有的时间。
不幸的是，他们没有看到任何原子。Phillips回忆说：“于是我们说，‘好了，我们去吃点东西吧’。”回来后，他们重新打开了系统。在漫长的一天中，通过磁性捕获线圈的大电流逐渐加热了线圈，足以降低舱内的真空度；本应被捕获的慢速钠原子在与线圈中沸腾出的无关“背景”原子的碰撞中被击出。但在菲利普斯和梅特卡夫深夜吃快餐休息时，线圈冷却下来，真空恢复了，因此一切都按设计进行。
Metcalf为这一成功感到振奋，他在图表记录器上写下了Wahoo！，图表记录器显示的荧光信号证实了磁性捕获器能够捕获从慢速飞行器中装载的原子。随后，两人彻夜工作。日出时分，他们回到了Phillips的家。Metcalf回忆说：“我们在冰箱里找了找，找到了一些冰淇淋，然后（Phillips的妻子）简走下来说：‘冰淇淋是给孩子们吃的！你们在干什么？’于是我们告诉她：‘嗯，我们今晚过得很开心，我们要庆祝一下。’”
他们赢得了冰淇淋。Phillips和Metcalf关于首次磁性捕获中性原子的论文发表于1985年。十多年后的1997年，这篇论文帮助Phillips获得了诺贝尔物理学奖，“以表彰他们开发出利用激光冷却和捕获原子的方法”。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.54.2596
因此，激光冷却技术的早期是三个诺贝尔奖的故事：Ashkin因证明可以用光操纵小物体而获奖；Wineland将这一原理推广到离子而获奖；Phillips因证明原子也可以用光子束捕获和驯服而获奖。
但在20世纪80年代中期，新的研究人员加入了蓬勃发展的激光冷却领域，带来了冷却和捕获的新技术和新工艺，其中一些技术和工艺的效果甚至比理论所能达到的效果还要好。
事实上，原子、分子和光学物理学的革命进程才刚刚开始。
参考链接：[1]https://www.optica.org/history/biographies/bios/harold_metcalf/[2]https://physicsworld.com/a/cold-how-physicists-learned-to-manipulate-and-move-particles-with-laser-cooling/[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.54.2596