在冷原子物理中,很多实验工作,都需要对粒子进行控制(囚禁离子原子,如原子钟),放慢它们的速度,提高测量精度。而随着激光技术的发展,激光冷却也已经开始广泛用于冷原子中。
在原子尺度下,温度的本质就是粒子的运动速度。激光冷却,就是利用光子和原子交换动量,从而冷却原子。举个例子,假使一个原子有前进速度,之后再次基础上它吸收了一个往运动方向相反的飞行光子,那么它的速度就会变慢。这就像一颗在草地上向前滚动着的球,如果在不受其它推力作用时,它就会由于与草地接触所带来的“阻力”停下。
这就是原子的激光冷却,而这个过程是一个循环。也正是因为这个循环过程,原子才能持续冷下来。
在这当中,最简单的冷却是利用多普勒效应。
然而,并非所有原子都能被激光冷下来,必须在原子能级间找一个“循环跃迁”才能实现。只有经过循环跃迁,冷却才能被实现并持续不断地进行下去。
目前由于碱金属原子(比如Na)最外层只有一个电子,而碱土族(比如Sr)最外层的两个电子也可以被看成一个整体,因此这两种原子的能级都非常简单,容易实现“循环跃迁”,所以现在被人们冷却的原子,大部分是简单的碱金属原子或者碱土族原子。