激光冷却：
光与微观世界的温度之舞
1. 前言
1960年美国物理学家T.H.梅曼制造了世界上第一台红宝石激光器，从此人们便可获得优良单色性、方向性好、高亮度的光。原子受激辐射产生的光，即“激光”，是二十世纪人类最伟大的发明之一。激光广泛应用于社会各个领域，医学、军事、通信、工业，创造了许多新兴行业也改变了许多传统行业。
激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温度原子的高新技术。温度的本质是自由运动粒子密度和自由粒子平均动能的度量，粒子运动越快，物体越热温度越高；粒子运动越慢，物体温度越低，为了不断降温达到绝对零度，降低自由粒子的运动速度成了唯一的方法。早在20世纪初人们就发现光对原子有辐射压力，利用激光可以加速原子同样也可以使原子减速。
图1 1960年梅曼制造世界上第一台激光器
图2 强激光加工金属 图3 激光冷却原子团
在现代物理中，很多实验工作如原子钟，囚禁原子离子，都需要对粒子进行控制，首先就要放慢它们的速度，提高测量的精度，激光冷却广泛应用于冷原子物理中，这项技术使得操纵和控制单个原子成为可能，也能减少在热原子中由于原子无规则热运动与碰撞带来的测量误差。1997年诺贝尔物理学奖颁给了美国华裔物理学家朱棣文、科恩·塔诺基和法国的威廉·菲利普斯，以表彰他们发现了激光冷却和捕获原子的方法[1]。
图4 1997年诺贝尔物理学
2. 如何把原子冷却下来2.1 多普勒技术——激光减速原子
激光冷却涉及到光的多普勒效应光的动量原子能级量子化以及原子对光子的随机吸收。从上世纪七、八十年代以来，科学家们就能利用一种叫做多普勒冷却的技术冷却原子。例如用一对相向运动的激光束，先将原子至于两束激光之间，激光的频率要略低于原子吸收光谱线的中心频率，假设原子向其中一边的A激光移动，由于多普勒效应，原子感受到的激光束频率升高，原子吸收来自A激光的光子的几率增大，同样的对于另一边的B激光，原子感受到的激光频率降低，原子吸收来自B激光的光子的几率减小，这是原子将受到来自A激光的辐射压力，原子的速度受激光压力逐渐减慢，如果有上下、左右、前后各个方向的激光束就能将朝各个方向移动的原子都减慢速度，达到原子冷却的目的。所谓多普勒效应，想象一下，当你听到一个车辆鸣笛，它接近时声音会高，远离时声音会低，这就是多普勒效应。在多普勒冷却中，原子会因为多普勒效应而变慢，就好像被一个微型“激光制动器”制动了一样。通过这种技术能将原子冷却到绝对温度以上1nK[2]。
图5 沿笛卡尔坐标系轴向摆放的三对激光束
2.2 磁光阱技术——空间束缚原子
磁光阱技术通过精密调控磁场和光场之间的相互作用，实现对微观粒子的精确控制，这里的“阱”类似于一个势能陷阱，能够将物质束缚在一个特定的区域。也就是用磁铁和磁力，将分子或原子囚禁在势阱中心，任何偏离中心的原子或分子都会受到指向中心的散射力。
图6 磁光阱装置
2.3 亚多普勒冷却技术——原子能级跃迁从而损失动能
多普勒冷却技术加上磁光阱技术就能实现对原子气的高效冷却的同时在空间上对其进行囚禁，并且磁光阱中的冷却极限远低于多普勒冷却极限。由于能量守恒，原子在势能高处动能低，势能低处动能高。当高能级的原子吸收光子跃迁到激发态时，有一定机率自发辐射到基态m_j=-1/2能级，在这一过程中，原子释放的能量大于吸收光子的能量，也就是原子的能量不断损失，温度从而不断下降。根据这种冷却机制，可以得到比多普勒冷却更低的温度。[4]
图7 原子上下能级不同磁子能级之间的相对跃迁强度
2.4 熵理论对激光制冷的理解
对于一个系统的制冷往往需要一个另一个开放系统不断地将熵抽离，在激光冷却中扮演此角色的正是激光系统。通过将系统的高熵部分移除，同样可以实现制冷的任务。
蒸发冷却即通过降低势阱深度，将高能原子去除，剩下一部分具有较低动能的原子重新达到热平衡后，系统的总能量不断下降，所以温度也会进一步下降。就像把炉灶内燃烧的木柴抽走，从而降低炉灶的温度。这一思路也被沿用到更低温度的方法探索中，如浸润冷却，将一个体系“浸润”在另一体系中从而将熵转移，实现更低温度的降温。宏观上理解就是将饮料放入冰水里，达到进一步“冰镇”的效果。[5]
图8 蒸发冷却示意图，高能粒子溢出后原子团温度下降
3. 分子激光冷却
近三十年来，激光冷却原子技术一直是物理学科的热门研究方向之一，将原子系统冷却到超低温度并控制其量子态已经在多个领域取得了诸多进展，如冷原子中、玻色-爱因斯坦凝聚、物理精密测量、量子模拟以及量子计算机等等。但在分子层面，与原子相比，分子的自由度更多，拥有更多复杂的内部能级结构，激光冷却的方法同样可以利用到分子冷却当中。
2010年美国耶鲁大学的爱德华·舒曼和戴维·德米尔使用了几项新技术成功将氟化锶（SrF）冷却到几百微开，这是单分子激光制冷首次达到这样接近绝对零度的低温[]。分子的激光制冷比原子更复杂，原子通过在一定频率的光场下会由于多普勒效应逐渐冷却，利用的是原子和光子的相互作用。但由于分子比原子更重，更难对激光产生反应，不仅如此分子比起原子拥有更复杂的结构，分子会以原子键、旋转和自旋等方式储存能量，这让分子的激光冷却难度更高。爱德华和戴维的团队采用了SrF分子，这种中分子不会在激光下发生振动阻碍制冷，同时他们选用了一束彩色激光，以确保能量会被分子吸收而不是让分子产生自旋。这一成果意义重大，部分分子存在极性，在超低温下可以看作是微小的磁体，可以用于研究量子力学的化学属性。超冷分子具有磁性的特性意味着分子可以通过磁场互相反应，这对于量子计算也有重大意义。[3]
图9 SrF的能级结构
2013年，美国实验天体物理联合研究所的Ye小组报道了横向激光冷却YO（氧化钇）的实验结果，2014年英国帝国理工学院的Hinds小组演示了纵向激光对CaF分子的减速和冷却实验，还有很多分子如BaH、BaF和YbF也有新的实验进展。同时也有一些科研团队开始挑战多原子分子的激光冷却，比如美国哈弗大学的Doyle小组以及实现了SrOH的一维激光冷却，分子的横向温度能降低到750uK。
4．未来前景
绝对零度是一个永远不可能达到的极限，热力学第三定律是宇宙的固有法则。但追求绝对零度并不是无意义的，它为我们带来了意想不到的发现，并让我们能够研究粒子间互相作用力的根本原因。在无限逼近绝对零度的时候，各种物质的物理特性都开始发生极大而奇异的变化了，其中很多物理特性对于科研来说，具有相当大的价值。基于激光冷却技术的冷原子物理的应用原来越广泛，国际上利用冷原子制造的原子钟，其精度最高已经达到了要150亿年才误差一秒。冷原子物理成为了基础物理科学研究的方向之一，英国、加拿大、日本、韩国也都成立了相应的冷原子物理研究机构。2018年5月21日，在美国国家航空航天局沃洛普斯飞行基地，安塔瑞斯火箭载着“天鹅座”飞船发射升空。天鹅座飞船上装载了冰箱大小的冷原子实验室，价值七千万美元。耗费如此巨资，就是为了在太空微重力的环境下研究超低温状态下原子的量子特性。
图10 空间冷原子钟（上海光机所研制 赵侃拍摄）
图11 2018年5月21日，携带OA-9的天鹅座飞船发射升空
2021年8月中国计量科学研究院发表了一篇小型化磁光阱芯片的方案，采取衍射光栅芯片与原子冷却俘获相结合的方案，通过线性光栅对单束入射光进行相位调制，成功实现了芯片尺度下原子的冷却，为实现磁光阱系统微小型化奠定了坚实基础。[6]
图12 小型化磁光阱芯片。(a)传统四极线圈的概念示意图。(b)线圈芯片的概念示意图。(c)芯片线圈照片。(d)芯片线圈稳定电压和功率表征。(e), (f)芯片线圈轴、径向磁场分布表征。
激光冷却技术一方面向着物理极限的更深处探索，一方面在不断简化实验系统，向着更高效智能制冷迈进。对于分子层面的冷却才刚刚起步，面对更加复杂的分子系统，激光冷却方案也在不断进化，从最早的固定频率的双向激光束冷却，到六向激光束冷却，磁光阱约束，到采用彩色激光减少分子的自旋，激光冷却自诞生之初就是人类探索超低温和量子力学的必经之路。
5．总结
激光冷却技术自上世纪七十年代诞生以来，一直是人类探索绝对零度的有力助手，从最初Wineland等人的几百uK到Phillips实现将钠原子冷却到42uK，再到与磁光阱技术相结合，达到nK量级。人类借助激光这一工具不断向绝对零度进军，同时探索超低温度下原子的奇妙特性。另一方面激光冷却也是分子冷却的核心技术，利用激光探索结构更复杂的双原子超低温特性。更低的温度意味着更小的热涨落，这为更多量子多体物理领域的科学问题提供了实验条件。同时未来冷原子物理的发展需要更先进的制冷技术以及更精确的量子调控能力，激光冷却技术未来还需要不断发展进步，为人类探索未知指明道路。
参考文献[1]http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/[2]C.J.Foot, Atomic physics. Oxford: Oxford University Press (2005)[3]孔德欢,王志辉,梁婷等.用于可搬运锶光钟二级冷却光源的研制[J].量子光学学报,2023,29(02):31-37.[4]孟祥瑞,苏国贤,苑震生.原子冷却技术的发展[J].低温物理学报,2021,43(01):1-17.DOI:10.13380/j.ltpl.2021.01.001.[5]Shuman, E., Barry, J. & DeMille, D. Laser cooling of a diatomic molecule. Nature 467, 820–823 (2010).[6]Liang Chen, Chang-Jiang Huang, Xin-Biao Xu, Yi-Chen Zhang, Dong-Qi Ma, Zheng-Tian Lu, Zhu-Bo Wang, Guang-Jie Chen, Ji-Zhe Zhang, Hong X. Tang, Chun-Hua Dong, Wen Liu, Guo-Yong Xiang, Guang-Can Guo, and Chang-Ling Zou. Planar-Integrated Magneto-Optical Trap. Phys. Rev. Applied 17, 034031 – Published 10 March 2022
原文标题 : 科普征文 | 激光冷却:光与微观世界的温度之舞
