冷原子物理及其應用摘要 二十多年前，人們通過物理實驗方法獲得了冷原子，今天超冷原子成為了多學科交叉的樞紐，超低溫物理、超低密度凝聚態物理、超低能碰撞物理、非線性與量子原子光學、量子信息處理、精密譜與量子頻率標準等研究匯聚于此。本文章介紹了冷原子物理的相關研究及其意義。關鍵詞 冷原子物理，激光冷卻，玻色-愛因斯坦凝聚十多年來，一個新的研究領域超冷原子物理學蓬勃發展起來。處于“超冷”狀態的原子體系將遵從新的物理規律，其中特別有意義的是原子氣體會出現玻色愛因斯坦凝聚現象（BEC）。2001 年的諾貝爾物理獎就授予了在BEC 實驗實現和性質研究方面做出重要貢獻的英國科學家康奈爾、維曼和德國科學家克特勒。玻色愛因斯坦凝聚是科學巨匠愛因斯坦在70 年前預言的一種新物態。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態）。這一物質形態具有的奇特性質，在芯片技術、精密測量和納米技術等領域都有美好的應用前景。本文介紹BEC的概念、形成條件和實現途徑以及激光冷卻中性原子的原理，并說明冷原子的一些相關應用。一、玻色愛因斯坦凝聚及其實驗研究簡史 1924年印度物理學家玻色研究了“光子在各能級上的分布”問題，他以不同于普朗克的方式推導出普朗克黑體輻射公式。玻色將這一結果寄給愛因斯坦，請其翻譯成德文并在德國發表。愛因斯坦意識到玻色工作的重要性，立即著手研究這一問題。愛因斯坦于1924和1925年發表了兩篇文章，將玻色對光子的統計方法推廣到某類原子，并預言當這類原子的溫度足夠低時，所有的原子就會突然聚集在一種盡可能低的能量狀態，這就是所謂的玻色愛因斯坦凝聚(BoseEinstein Condensation，BEC)，這時宏觀量物質的狀態可以用同一波函數來描寫。從理論上講，處在這種狀態的物質在性質上有別于通常的氣態、液態、固態和等離子態，故有人又稱其為物質的第五態。玻色和愛因斯坦所采用的統計方法后來被稱為玻色愛因斯坦統計，而服從這種統計的粒子被統稱為玻色子。 然而，并不是所有微觀粒子都服從玻色愛因斯坦統計，有一類粒子服從的是1926年誕生的費米狄拉克統計，這類粒子被統稱為費米子。費米子不同于玻色子，它服從泡利不相容原理，即兩個費米子不能占據同一個態。利用這一點可以解釋元素周期表。費米子之間相互排斥，這是一種量子壓力，它在無任何外力時也存在。而玻色子的情況則相反，一個量子態上可以有任意多個粒子占據著。微觀粒子究竟屬于哪一類是由其自旋決定的，自旋為整數的如光子、膠子等是玻色子，而為半整數的如電子、夸克等則是費米子。 雖然超導體中的電子服從費米狄拉克統計，但在某種機制下，電子與電子可以形成電子對，而電子對可以被看成是玻色子，電子對的玻色愛因斯坦凝聚被認為是超導電性的根源。除了用于解釋超流和超導外，玻色愛因斯坦凝聚這一概念已經擴展到物理學的很多領域，如半導體物理學、天體物理學以及基本粒子物理學等。雖然超流和超導等都顯示了玻色愛因斯坦凝聚現象的存在，但這些系統都很復雜，凝聚現象只部分地發生在這些系統中，系統中的強相互作用也趨于掩蓋玻色愛因斯坦凝聚，理論和實驗的定量都比較困難。 另一方面，自從1925年提出BEC以來，陸續有不少尋求BEC實驗實現的研究出現。首先是提出的超流態液氦，后來的實驗中確實看到量子簡并的特性，但是由于系統中存在著強相互作用，很難看成是純的BEC。接著1959年有人提出自旋極化氫原子氣體可能是BEC的候選者，但至今仍未能在實驗上實現。1980年，第三種重要的BEC候選者氧化亞銅(Cu2O)中的激子被提出。經過10多年的努力，雖然于1993年在實驗上觀測到了，但是由于復雜的相互作用過程，BEC的特性得不到很好的研究。 二、激光冷卻和捕陷原子 如何才能觀測到玻色愛因斯坦凝聚現象呢?愛因斯坦首先指出，理論上這需要原子的德布羅意波相互重合。這本來不是問題，但在形成玻色愛因斯坦凝聚之前原子有可能就已經形成了分子。為了避免這種強相互作用，要求原子間的距離比化學力的范圍要大，而且它們的德布羅意波仍能相互重合，即德布羅意波長大于粒子間的平均間距。這就要求相密度必須大于一定的值。在給定原子密度條件下，存在一個極限溫度Tc，當原子氣體的溫度T小于Tc時，相密度大于規定的值，原子間的間隔小于德布羅意波長，原子氣體將產生玻色愛因斯坦相變。這些都對實驗提出了很高的要求，如何增加原子相密度、降低原子溫度也正是實驗上實現玻色愛因斯坦凝聚的關鍵。 在實驗上，堿金屬原子因具有簡單的能級結構而在實現玻色愛因斯坦凝聚的研究中備受青睞。80年代中期，激光冷卻和捕陷原子的研究已取得長足的進步，幾個研究小組提出了冷卻的堿金屬原子可以形成只有很弱相互作用的BEC。在不斷克服實現BEC的一系列技術難題后，1995年堿金屬原子的BEC終于在實驗上實現了，這是BEC實驗研究史上最重要的進展。 在過去的10多年中，激光冷卻和捕陷原子技術的發展，使堿金屬原子相密度增大了15個數量級，但距實現玻色愛因斯坦凝聚所需的值仍小105106倍。為了實現玻色愛因斯坦凝聚，美國科羅拉多大學物理系的威曼小組使用了混合的冷卻方法。他們首先用激光冷卻氣體原子技術冷卻原子，并用磁勢阱將冷卻原子捕陷于勢阱中，然后用蒸發冷卻技術使原子的溫度和相密度達到發生玻色愛因斯坦凝聚的條件。 至今，激光冷卻和捕陷原子的技術已有20年的發展史。從原理上講，所有用激光去影響原子運動(冷卻、捕陷等)的過程，都基于原子對光子的吸收、再發射，或者廣義地說都基于散射而導致的反沖。1980年，全世界僅有幾個研究小組進行這項工作，而現在已有100多個小組進行這項研究，原子氣體的溫度也從102K降低到102K。原子氣體的溫度在微觀上對應于原子的平均速度，溫度越高，原子的運動越快。室溫下氣體原子的平均速度約為每秒幾百米，而實現玻色愛因斯坦凝聚需要把原子速度降到每秒幾厘米甚至更慢。離開了激光冷卻與原子捕陷技術，這是不可能做到的。美籍華裔科學家朱棣文、美國科學家威廉菲利普斯和法國科學家克洛德科昂塔努吉因為在激光冷卻和原子捕陷方面的貢獻，榮獲了1997年諾貝爾物理學獎。激光冷卻氣體原子的原理可簡單地概括如下： 多普勒冷卻機制，即利用原子運動所產生的多普勒頻移來實現冷卻效應。這種冷卻機制受自然線寬限制，最低冷卻溫度可達到幾十至幾百微開(106K)。 偏振梯度激光冷卻機制，是基于光抽運、光頻移等物理效應，在多能級原子系統中產生的冷卻效應。原子飛過激光偏振狀態不斷變化的場時，總在不斷地“爬坡”，將動能轉化為勢能，經自發輻射出藍移光子而被冷卻。偏振梯度冷卻可使原子氣體溫度冷卻到小于多普勒冷卻極限，達到幾微開至幾十微開。 速度選擇相干粒子數囚禁冷卻，是基于三能級原子在光的驅動下使原子處于相干疊加態，這時原子與光場脫耦，不再吸收光子，因而也無動量擴散。滿足相干囚禁的原子速度接近于零，速度不為零的原子將吸收光子，原子動量將重新布居。只有當原子落入速度為零的相干疊加態時，原子才不再吸收光子而停留在相干疊加態上。這樣，原子的動量可小于光子反沖動量，相應的氣體溫度可達1011K。 與激光冷卻技術同時發展起來的一種冷卻原子的方法為蒸發冷卻技術。這種方法是將平衡分布中的快速原子從陷阱中排除(蒸發)，在原子間彈性碰撞的過程中，達到新的準平衡分布。這時，氣體的溫度降低而且低速原子的密度增大。這是實現玻色愛因斯坦凝聚的重要步驟之一。 如何使這些低速原子聚集在固定的區域內呢?囚禁超冷原子的技術起到了關鍵作用。目前常用的捕獲原子的陷阱有兩類，一類是光陷阱，另一類是磁陷阱。光陷阱的勢壘深度較淺，在玻色愛因斯坦凝聚實驗中多使用磁陷阱。磁陷阱是由一對反向聯接的赫姆霍茲線圈構成，其中心的磁場強度為零。對于尋找弱場的原子在磁勢場中將受力而囚禁于陷阱中心。 在實現玻色愛因斯坦凝聚的實驗中，使用的是磁光陷阱，磁場用來束縛原子，而光場用來冷卻和捕獲原子。這種陷阱結構簡單，造價低而且十分有效。囚禁的原子氣體溫度將小于1毫開(103K)，原子的密度為1010/厘米3。限制原子密度增大的因素是原子間的碰撞，特別是基態原子與激發態原子的碰撞。為了提高原子密度，美國麻省理工學院提出了暗點磁光陷阱，即在磁光陷阱中心超冷原子積聚的地方，減弱光抽運光強，使原子處于激發態的概率降低，由此來減小限制原子密度增加的因素，從而可收集到更多的原子，以增加原子密度。利用這種方法原子密度可提高到1012/厘米3。 然而，磁陷阱存在著一個嚴重問題，即由于磁陷阱的中心磁場強度為零，這里無磁場保持原子的排列，故囚禁的原子會漏出。此時，原子密度距產生玻色愛因斯坦凝聚的密度小4個數量級。為了克服這個缺陷，美國科羅拉多大學物理系的康奈爾提出增加一個旋磁場，使磁場零點偏離中心。這樣，超冷原子就可停留在中心，且永遠達不到零點而漏出。這就是時間平均軌跡勢阱。 另一個阻塞漏孔的方法是，用一個藍移光束經過陷阱中心，因為藍移光束對原子的斥力可使原子遠離漏孔。最近的玻色愛因斯坦凝聚實驗采用約費型陷阱，效果很好。這種磁陷阱在軸向為磁瓶，而在徑向為四極矩勢阱，沒有漏洞，這樣就增加了原子在勢阱中的數目。 3、 冷原子物理的應用（一）、可觀測相干的物質波波長微觀世界的粒子都具有波粒二相性。德布羅意波（物質波）波長h/mv，與粒子的動量呈反比。室溫原子因為平均速度達到幾百米每妙，其德布羅意波長為很小，大約為10-12米量級，原子大多處在不同的量子態上，相干長度很短，難以形成干涉。冷原子最低溫度可達到幾個納K，平均速度可達到幾厘米每秒，德布羅意波長約為10-7米量級，相干長度很長，能夠宏觀觀測到相干現象。當堿金屬原子被大量冷卻到最低能態上從而產生玻色愛因斯坦凝聚時，這些最低能態原子會產生物質波干涉，這是人類第一次觀察到事物粒子的物質波干涉現象。主要應用領域：原子干涉儀。干涉測量技術目前普遍采用的是兩束激光之間的干涉。由于光子基本不受重力影響，難以用激光精確測量重力。原子受重力作用十分明顯，因此原子干涉儀可以有效低測量重力微小變化，以及引力波等等，將是未來航空航天技術必不可少的設備。（二）、精確的能級結構 原子間的碰撞是原子能級的寬度增寬的主要因素。冷原子由于速度很小溫度很低，原子間的碰撞遠遠少于熱原子，因此能級寬度遠小于熱原子，具有更精確的原子能級結構和更窄的躍遷光譜，這對原子能級以及各種常數的精確測量具有重要意義。國際上已開展冷原子激光放大器的研究，獲得了線寬遠非常窄，單色性非常好的激光譜線。主要應用：冷原子鐘 原子鐘的精度取決于原子能級的精確程度。目前原子鐘主要采用原子精細能級躍遷作為頻率標準。由于冷原子的能級精度遠遠優于熱原子，冷原子鐘會輸出更為精準的頻率，因此會將人類的時間精度大幅度提高，對人類的時間標準和距離標準起到革命性的改進，是未來全球定位系統和宇宙空間定位系統的核心技術。目前歐洲“伽利略”全球定位系統計劃決定逐步采用冷原子鐘，美國也計劃應用冷原子鐘來大幅度改善GPS系統的性能。冷原子鐘的研制將有著極其深遠的軍事和科技意義。（三）、單原子的俘獲及操控 在微觀尺度上操縱原子分子，按人類的意愿改變原子分子間的排列組合，長久以來是人類的一個夢想。在凝聚態物理領域前沿的表面物理中，依靠掃描隧道顯微鏡技術可以移動和控制一些原子的位置，但無法脫離樣品表面完成對原子分子的俘獲。激光冷卻技術恰恰彌補了這個缺陷。例如我們可以利用激光俘獲我們需要的原子，再用激光將其輸送到需要的地方，組合成新的分子或凝聚態物質。我們甚至可以利用激光俘獲大生物分子如DNA等，取代上面某些原子，從而改善動物或人類的基因，這將引起分子生物學上的一次重大革命。目前德國馬普學會量子光學研究所（MPQ）的科學家在歐洲核子中心（CERN）啟動了一個項目，內容是利用激光冷卻技術俘獲反氫原子，研究它和氫原子間的異同。這個項目成功之日將是人類控制并利用反物質的開端。（四）、量子態操控 冷原子由于運動速度很慢，能級結構穩定，因此相比熱原子具有更為明確的量子態。更利于對它的量子態如外層電子自旋，原子磁矩等等進行控制。同時冷原子量子態的變化可以反過來控制光信號，完成信息處理過程。目前較為成熟量子態控制的有冷原子電磁感應透明（EIT），相干布居數囚禁（CPT）等等。主要應用：量子計算機量子計算的物理實現是量子信息技術面臨的最大難題。物理學家曾嘗試多種方案，但都無法有效克服系統退相干的問題。冷原子由于相干時間長，量子態更利于操控等優點，已經成為量子計算首要的候選者。量子計算機的出現將是人類科技的一次重要革命，將標志著人類全面步入信息時代，未來的量子芯片很可能是囚禁在某個光子晶體內的冷原子系統，這將是冷原