量子革命的基础：激光冷却史（中）

光子盒研究院

任何实验都不可能比理论预期的效果更好，这实际上是一条定律；但这却在20世纪80年代末原子物理学中被证伪了。

20世纪60年代末，一小部分研究人员开始利用光的力量推动小物体转动。在接下来的十年中，这一领域扩展到了激光冷却——这是一种利用多普勒频移产生一种只能使物体减速而不能加速的力的强大技术。随着时间的推移，这些新的激光冷却实验沿着离子和原子这两条平行轨道发展了起来。

在许多方面，离子具有早期优势。由于离子带有电荷，它们会受到电磁力的作用，而电磁力的强度足以让它们在高温下被电磁捕获器捕获，并通过紫外线波长的激光进行冷却。到1981年，离子捕获器专家已经将这种技术改进到可以捕获和探测单个离子、并以前所未有的精度对其进行光谱分析的程度。

在上世纪80年代末拍摄的一张照片中，研究人员克里斯·赫尔默森(Kris Helmerson)观察到在真空室中，六束相交的激光束捕捉到一团微小的钠原子。当时，赫尔默森是美国国家标准局比尔·菲利普斯研究小组的成员——1997 年，菲利普斯凭借在该实验室开发的激光冷却和捕获技术分享了诺贝尔物理学奖。

相比之下，原子在被光和磁场施加的较弱作用力捕获之前，需要先减慢速度。不过，到1985年，位于马里兰州的美国国家标准局的比尔·菲利普斯及其同事已经用光使一束钠原子几乎停止运动，然后将它们束缚在一个磁阱中。除此之外，原子驯服者们面临的主要挑战似乎是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出乎所有人的意料。正如我们在前文中所看到的，这一成功的根源可以追溯到贝尔实验室的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)。

阿什金在1970年开发出了“光学镊子”技术，这项技术在近50年后为他赢得了诺贝尔奖。20世纪70年代末，他与贝尔实验室的同事们一起研究原子束实验。阿什金当时的同事约翰-比约霍尔姆回忆说：“里克·弗里曼(Rick Freeman)有一台原子束机器，我也有一些用原子束做的实验，但我对制造原子束机器不太感兴趣。”

通过将激光束与原子束重叠，阿什金和比约克·霍尔姆证明可以通过调整光的频率来聚焦或去聚焦原子。当激光调到红色（比原子“想要”吸收的频率稍低）时，原子与光之间的相互作用会降低原子的内能（“光偏移”），从而将原子吸引到激光束中；当激光调到蓝色时，原子就会被挤出去。

阿什金提出了几个想法，希望将这种现象转化为一种“全光学”的原子捕获方法（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·霍尔姆在实施过程中遇到了困难，因为弗里曼的原子束是用有机玻璃窗制造的，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器的影响，因此，当它们与束流中的原子碰撞时，会将目标原子踢出阱外。经过几年令人失望的实验结果后，贝尔实验室的领导层对这项实验失去了兴趣，并促使阿什金去做其他事情。

大约在这个时候，贝尔实验室霍姆德尔分部的阿什金办公室附近搬来了一位年轻的研究员，他（自称）以“能完成高难度实验”而闻名。他叫朱棣文(Steven Chu)，对阿什金的想法很感兴趣。他们一起建造了一个适用于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，以补偿不断变化的多普勒频移——后一种技术被称为“啁啾冷却”；巧合的是，开发这种技术的关键科学家之一也在霍姆德尔。

朱棣文(Steven Chu)

这时，朱棣文建议他们用三对垂直的反向传播激光束照射原子，对原子进行预冷，所有激光束都调谐到略低于原子转变频率。这种配置可同时在三个维度上提供冷却力：向上运动的原子看到向下的激光束多普勒向上移动，吸收光子并减速；向左运动的原子看到向右的激光束中的光子向上移动，依此类推。无论原子向哪个方向移动，它们都会感受到一种与其运动相反的力。

这与游泳者在粘性流体中的困境相似，因此朱棣文将其称为“光学黏团(Optical molasses)”。

光学黏团。原子被一对沿垂直轴的红色变谐光束照射。向左移动的原子会看到向右的激光束多普勒向上移动，更有可能吸收其中的光，并减慢速度；其他光束不会移动，因此也不会被吸收。如果原子向上运动，它将只看到向下运动的光束向上移动，并从中吸收光束，以此类推。无论原子向哪个方向移动，它都会受到一种使其减速的力。

贝尔实验室团队于1985年展示了光学黏团，从一束啁啾冷却光束中收集了数千个原子。正如它的名字一样，光学黏团非常“粘稠”，能将原子在重叠光束中保持约十分之一秒（在原子物理学中几乎是永恒的时间），然后原子才会游离出来。在“黏团”区域，原子不断吸收和重新发射来自冷却激光器的光，因此它们看起来像一团弥漫的发光云。光的总量提供了原子数量的简便测量方法。

阿什金、朱棣文及其合作者还能够估算出原子的温度。他们的方法是测量黏团中的原子数量，短时间内关闭光源，然后重新打开并重新测量原子数量。在黑暗间歇期间，原子云会膨胀，一些原子会逃出黏团光束区域。通过这种逃逸率，研究小组计算出了原子的温度：约240微开尔文——正好符合激光冷却钠原子的预期最低温度。

尽管光学黏团具有粘性，但它并不是一个陷阱。虽然它能减慢原子的速度，但一旦原子漂移到激光束的边缘，它们就能逃脱。与此相反，陷阱提供的是一种取决于位置的力，将原子推回中心区域。

制造捕获器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学镊子。虽然激光聚焦的体积只是糖浆体积的一小部分，但阿什金、比约霍尔姆和朱棣文（独立地）意识到，通过黏团中的随机扩散，大量原子还是会聚集在这样的捕集器中。当他们在黏团中加入单独的捕获激光束时，结果令人欣喜：扩散的黏团云中出现了一个小亮点，代表着几百个被捕获的原子。

然而，要超越这一点却面临着技术上的挑战。问题在于，原子能级的变化使得单束光学捕获成为可能，但却阻碍了冷却过程：当捕获激光降低原子基态的能量时，就会改变冷却激光的有效频率失谐。使用第二种激光，交替进行冷却和捕获，可以提高可捕获原子的数量，但代价是增加了复杂性。要取得进一步的进展，物理学家需要更冷的原子或更好的捕获器。

两者都已箭在弦上。

克洛德·科恩·塔诺季和他在巴黎高等师范学院(ENS)的小组主要从理论方面研究激光冷却。让·达利巴德(Jean Dalibard)当时是该小组的一名新晋博士，他还记得当时正在研究阿什金和吉姆·戈登(Jim Gordon)的理论分析，以及苏联双人组弗拉迪伦·列托霍夫(Vladilen Letokhov)和弗拉迪米尔·米诺金(Vladimir Minogin)的理论分析，后者（与鲍里斯·D·帕夫利克Boris D Pavlik一起）早在1977年就推导出了激光冷却可达到的最低温度。

让·达利巴德(Jean Dalibard)

这个最低温度被称为多普勒冷却极限，它源于原子吸收冷却光束中的光后重新发射光子时产生的随机“踢力(kick)”。达利巴德很好奇这个极限到底有多大，于是他想方设法让原子尽可能地处于黑暗之中。为此，他利用了标准多普勒冷却理论无法捕捉到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矩的子能级的集合。

钠的多个亚级。在没有磁场的情况下，钠原子的基态有五个能量相同但角动量不同的子级，激发态有七个子级。基态和激发态之间的所有转变都涉及相同频率的光。当施加磁场时，子水平向上或向下移动的幅度不同。因此，具有最大角动量的“拉伸态”子级之间的转换频率会升高（蓝色）或降低（红色）。

这些不同的子能级或动量态在磁场作用下会发生能量变化（Zeeman效应）。随着磁场强度的增强，一些状态的能量会增加，而另一些则会减少。当磁场方向逆转时，这些状态又会发生翻转。另一个复杂因素是激光的偏振决定了哪些子级将吸收光子：一种偏振会使原子在不同状态之间移动，从而增加角动量，而另一种偏振则会减少角动量。

在理论分析中，达利巴德将这些子级与磁场结合在一起，磁场在某一点为零，并随着原子向外移动而增加。这样，他就创造了一种有效激光频率失谐取决于原子位置的情况。(菲利普斯及其同事的磁阱也采用了类似的结构，但磁场要高得多）。因此，原子只能在失谐、多普勒偏移和泽曼偏移组合恰到好处的特定位置吸收特定激光。

磁光陷阱。原子在一个从中心向外扩散的磁场中受到一对极化方向相反的红色变谐激光器的照射。激发态的子级在磁场的作用下向相反的方向移动，原子只在失谐、泽曼偏移和多普勒偏移组合恰到好处的位置吸收光，从而将它们推回中心。

达利巴德希望通过这种方式限制原子吸收光线的能力，可以降低它们的最低温度。在计算出不会降低温度后，他把这个想法归档了。他解释说：“我发现这是一个陷阱，但我并不是在寻找陷阱，而是在寻找亚多普勒冷却。”

如果不是麻省理工学院的物理学家戴夫·普里查德(Dave Pritchard)在1986年访问了巴黎小组，他的研究可能就到此为止了。访问期间，普里查德就生产大容量捕集器的想法发表了演讲，最后他表示欢迎其他更好的建议。

达利巴德回忆说：“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，但它与你的想法不同’。”普里查德把达利巴德的想法带回了美国，1987年，他和朱棣文根据达利巴德的分析建造了第一个磁光阱(MOT)。达利巴德获得了共同撰写论文的机会，但他只是在致谢中得到了认可。

MOT对激光冷却技术的发展具有革命性的意义，这一点无论如何强调都不为过。它是一种相对简单的装置，只需要单一的激光频率和相对较弱的磁场就能产生强大的阱。但最重要的是它的能力：朱棣文和阿什金的第一个全光阱可容纳数百个原子，菲利普斯的第一个磁阱可容纳数千个原子，而第一个磁光阱可容纳千万个原子。随着科罗拉多大学的卡尔·维曼(Carl Wieman)推出廉价的二极管激光器，MOT的出现引发了全球研究激光冷却的团体数量的迅速激增。

研究的步伐也随之加快。

就在普里查德和朱棣文建造第一台MOT的时候，菲利普斯和他的同事们在光学黏团方面遇到了一个极不寻常的问题：与实验物理学的所有预期相反，这种黏团的效果太好了。事实上，即使部分光束被挡住，它也能冷却原子。

这一发现的部分原因是，激光冷却本应是菲利普斯的副业，因此他的实验室设在一间与机械车间相连的准备室里。为了防止车间灰尘和油脂积聚在实验室的真空系统上，小组成员会在晚上用塑料或滤纸遮住系统的窗户。1986年加入小组的保罗·莱特回忆说：“偶尔你会看到这种看起来非常扭曲的黏团，然后你会意识到，哦，我们没有把那张滤纸拿出来。能做到这一点已经很了不起了。”

这种令人惊讶的持久性促使莱特推动了一项更系统的研究——包括一套新的温度测量方法。贝尔实验室小组开发的 “释放-再捕获(release-and-recapture)”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：即检测原子穿过放置在黏团附近的探针光束时发出的光。当黏团关闭时，原子就会飞走。它们到达探针的时间可以直接测量出它们的速度，从而测量出它们的温度。

和所有激光冷却实验一样，菲利普斯的实验室在狭小的空间里安装了大量的透镜和反射镜，而最方便放置探针的地方竟然是在黏团区的稍上方。对于以多普勒极限速度运动的原子来说，这个位置应该很合适，但当莱特尝试实验时，却没有原子到达探针。最终，他和同事们将探针的位置移到了黏团区的下方，这时他们看到了一个美丽的信号。只有一个问题：多普勒冷却极限是240微开尔文，但这种“飞行时间(time-of-flight)”测量显示的温度是40微开尔文。

这是真的吗？涉及光学黏团的实验比哈尔·梅特卡夫和比尔·菲利普斯想象的效果还要好。

这一结果似乎违反了墨菲定律，即“任何可能出错的事情都会出错”，因此他们并不愿意立即接受这一结果。他们使用几种不同的技术重新测量了温度，包括一种改进的释放-再捕获技术，但得到的结果始终如一：原子的温度比理论上的温度低得多。

1988年初，菲利普斯和公司联系了激光冷却器这个紧密团体中的其他小组，请他们在自己的实验室中检测温度。朱棣文和维曼很快就证实了这一惊人的结果：光学黏团不仅能冷却原子，而且比理论上的效果更好。

巴黎小组当时还没有实验计划，但达利巴德和科恩·坦努吉通过达利巴德在开发MOT时使用的相同真实世界因素：多个内部原子态，从理论上解决了这一问题。钠的基态有五个能量相同的子级，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”，是科恩·坦努吉领导的巴黎高等师范学院光谱学研究的核心，因此他的研究小组非常适合探索这些附加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，偏振与光的振荡电场轴相对应。六束逆向传播光束的组合产生了复杂的偏振分布：因为这些光束在光学熔浆的不同位置以不同的方式组合在一起；原子不断被光学泵送到不同的构型中，从而延长了冷却过程并降低了温度。

到1988年夏天，达利巴德和科恩·坦努吉设计出了一个优雅的模型来解释亚多普勒冷却。(朱棣文也独立得出了类似的结果，他记得自己是在欧洲两次会议之间的火车上得出这一结果的）。他们考虑了一个简化原子，该原子只有两个基态子级，传统上标记为-½和+½，由两束以相反线性偏振方向传播的激光照射。这就产生了两种偏振态交替出现的图案，分别标记为σ-和σ+。

处于σ-极化区域的原子会被光学泵浦到-½态，这种状态会产生较大的光偏移，从而降低其内能。当原子向σ+极化区移动时，光偏移会减小，原子必须减慢速度来补偿，损失动能来补偿内能的增加，就像一个球在山上滚动一样。当原子到达σ+态时，光泵将使其切换到+½态，此时光偏移较大。不过，原子并没有从σ-区域获得爬“山”时损失的能量，因此，当这个过程重新开始时，它的移动速度会变慢：当它向下一个σ-区域移动时，光漂移会减小，因此，它会损失能量，然后通过光泵切换到-½状态，如此循环。

这种不断爬“山”而损失能量的过程有一个生动的名字：达利巴德和科恩·坦努吉将其命名为“西西弗斯冷却(Sisyphus cooling)”——这是以希腊神话中的国王命名的。

西西弗斯冷却(Sisyphus cooling)。处于-½态的运动原子在沐浴在σ-偏振光中时，会产生较大的光偏移，从而降低其内能。当它向含有σ+偏振光的区域（图中红色区域）移动时，光偏移会减小，原子会减速以弥补能量的变化。当原子移动到σ+区域时，光泵将其移动到+½状态，此时原子的内能较低，但移动速度仍然较慢。然后重复这个过程：向σ-移动，速度减慢，光学泵浦到-½等等。

光学黏团中的原子也面临着类似的困境，它们总是在爬山，能量不断流失，却又因为光学泵的作用而回到谷底，不得不重新开始。

西西弗斯冷却理论对最低温度以及它们如何取决于激光失谐和磁场做出了具体预测。这些预测很快在世界各地的实验室中得到了证实。1989年秋，《美国光学学会杂志B》出版了一期激光冷却特刊，其中包含堡菲利普斯小组的实验结果、巴黎的西西弗斯理论以及朱棣文小组的实验和理论综合论文。

在接下来的十年中，这期特刊一直被视为学生们了解激光冷却的权威资料，科恩·坦努吉和朱棣文还与菲利普斯分享了1997年的诺贝尔物理学奖。

将西西弗斯效应发挥到极致，可以将原子冷却到不再有足够的能量爬上哪怕是一座“小山”，而是被限制在单一偏振的极小区域内。这种限制与捕获离子的限制一样严格，使得激光冷却的两个分支非常对称。

到20世纪90年代初，捕获离子和中性原子都可以冷却到其量子特性显而易见的状态：在陷阱中的单个离子，或在西西弗斯冷却过程中产生的“阱”中的原子，只能以某些离散的能量状态存在。这些离散状态很快就被测量出来；如今，它们已成为原子和离子量子计算的重要组成部分。

另一个引人入胜的研究方向与阱本身有关。这些阱是光束干涉时形成的、自然形成间距为激光波长一半的大型阵列。这些所谓光晶格的周期性模仿了固体物质的微观结构，原子在晶格中扮演着电子的角色。这种相似性使捕获原子成为探索超导等凝聚态物理现象的有用平台。

不过，要真正探索冷原子的超导性，必须在晶格中装入密度更大、温度更低的原子——而这是西西弗斯冷却法无法实现的。要达到这一目的，需要另一套新的工具和技术，而且不仅有可能创造出已知系统的类似物，还可能创造出全新的物质状态。

参考链接：

[1]http://www.nasonline.org/member-directory/members/20049519.html

[2]https://opg.optica.org/josab/issue.cfm?volume=6&issue=11

[3]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1997/summary/

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

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