1、重慶大學本科學生畢業設計（論文） 摘要冷原子物理的研究方法和研究現狀學 生：付卓 學 號：20117364 指導教師：胡炳全 專 業：應用物理學重慶大學物理學院二O一五年六摘 要 隨著激光冷卻技術的問世，冷原子物理逐漸發展成熟起來，冷原子表現出來的奇特物理性質使得冷原子物理的研究工作成為炙手可熱的科研領域之一。近年來，一系列研究工作都圍繞著冷原子展開，并且這些工作都有著重要的理論和實用價值，將會對人們的生產和生活產生巨大的影響。本文從冷原子的研究方法、研究現狀等內容出發進行了綜合性的總結，主要包括以下幾個內容：1）獲得冷原子的方法。探討了冷原子物理中幾個比較重要的獲得方法與囚禁冷原子的方法。激

2、光冷卻法是獲得冷原子最基本的方法，利用了光與原子相互作用的機制，光與原子相向運動，在多普勒制冷機制下，原子與光子碰撞，速度逐漸減低，溫度也隨之降低，成為冷原子。蒸發冷卻是另外一種獲得冷原子的方法，它將平衡分布中速度較快的原子蒸發除去得到冷原子。在冷原子囚禁中，磁光阱是效果最好的方法，利用激光束形成空間駐波和反亥姆赫茲線圈形成梯度磁場，對原子產生阻尼力，并將原子限制在一定的范圍內，形成光學黏團。2）冷原子和冷原子系統的物理性質研究現狀。描述了一些冷原子物理中比較重要和熱門的研究領域，包括玻色-愛因斯坦凝聚、超冷里德堡原子、原子光學等內容。玻色-愛因斯坦凝聚是物質的一種特殊狀態，被稱為第五態。在冷

3、原子物理中，能否實現玻色-愛因斯坦凝聚是檢驗一個科研平臺是否達到世界先進水平的重要標志。超冷里德堡原子也是冷原子研究領域中的一個重要分支，這些超冷里德堡原子處于高激發態，壽命和相互作用時間長，非常容易受到外場的影響，因此可以非常容易利用弱場對原子進行操控，所以超冷里德堡原子對于量子邏輯門和量子信息存儲有著重要的研究價值。3）冷原子和冷原子系統的應用。介紹了一些基于冷原子的特殊性質而開發或有待開發的實驗儀器，例如原子干涉儀、冷原子鐘、量子計算機等。這些儀器都是冷原子的物理性質的具體應用形式，對于科學技術的發展起到非常大的推進作用。科學家對于時間頻率標準的測量更加精確，這樣一來全球衛星定位系統會更

4、加精準，宇宙空間站技術將會更加完善。量子計算機雖然目前沒有研制成功，但是也取得了一定的進展，一旦它研制成功，將會帶來計算機革命，將是人類全面步入信息時代的標志。論文在總結大量文獻的前提下，綜合敘述了冷原子物理方面的成果，對冷原子物理作了一個較為豐富的概述，也對于未來冷原子的發展作了一定的展望。希望這項工作能對那些想要深入了解冷原子物理的人有一定的幫助。關鍵詞：冷原子，激光冷卻，玻色-愛因斯坦凝聚，冷原子鐘I重慶大學本科學生畢業設計（論文） abstract AbstractWith the advent of laser cooling technology, cold atomic phys

5、ics gradually developed up.With its peculiar physical properties,the physics of cold atom makes it become one of the hottest research areas. In recent years,a series of research work about cold atom is ongoing and these efforts have important theoretical and practical value. In this paper,there is a

6、 comprehensive summary about the research methods and research status of cold atom, including the following contents.1) The ways to get cold atom. Discussed some important methods of getting and trapping cold atom in cold atomic physics. Laser cooling technology is the most basic way to get cold ato

7、m,.This method used the mechanism of interaction of light with atoms.In the effect of Doppler refrigeration mechanism, the collisions between atoms and photons make the speed of atoms slow down, the temperature of atoms also decreased, then the atom become the cold atom. Evaporative cooling is anoth

8、er way to get cold atom. In cold atomic trapping technology, magnetic optical trap is the best method.Using the laser beam to form a space standing and anti Helmholtz coil to form a gradient magnetic field,magnetic optical trap will produce damping force and the atoms will be limited in a certain ra

9、nge. 2) The research status of physical properties of cold atom and cold atom system. Described some important and hot research field, including Bose-Einstein condensation, ultra cold Rydberg atoms,atomic optics and etc. The BEC is the special status of substance,also called it as the fifth state. I

10、n atomic physics, achieve the BEC is the most important sign that the experiment platform reached the world advanced level. Ultra cold Rydberg atoms is also a significant branch of cold atomic physics, these ultra cold Rydberg atoms are in a high excited state,the time of interaction and life is too

11、 long and very susceptible to external field, so we can use feeble field to manipulate atoms.3) The applications of cold atom and cold atom system.Introduced some laboratory instruments that rely on the special nature of cold atom. For example, atomic interferometer,cold atomic clock,quantum compute

12、r and so on. These instruments played a significant role in the development of science and technology. Cold atom clock will be helpful to GPS and space station. Although the quantum computer hasnt been successfully developed,the scientists have made some important progress. Once the quantum computer

13、 comes true, it will bring the computer revolution.This paper summarized many articles and made a comprehensive narrative about the cold-atom physics. The outlook of achievements of cold atom are made. We hope this work will be helpful to the people who want to understand the cold atomic physics dee

14、ply.Key words: cold atom, laser cooling, BEC, cold atom clock V重慶大學本科學生畢業設計（論文） 目錄 目 錄摘 要IAbstractII目 錄第一章 緒 論11.1選題的依據及意義11.2國內外的研究現狀1第二章 冷原子的實驗研究方法32.1激光冷卻技術32.2磁光阱32.3蒸發冷卻與全光阱42.4結論與分析5第三章 冷原子與冷原子系統的理論研究現狀63.1玻色-愛因斯坦凝聚63.1.1玻色-愛因斯坦凝聚的實現63.1.2玻色-愛因斯坦凝聚的前景73.2原子光學與原子芯片73.2.1原子光學的發展73.2.2原子芯片的發展83.3

15、超冷里德堡原子103.3.1里德堡原子的產生與探測103.3.2里德堡原子與邏輯門113.4磁光阱中冷原子的實驗特性123.4.1磁光阱中冷原子的排斥和吸引123.4.2冷原子的非線性特性133.5結論與分析13第四章 冷原子與冷原子系統的應用154.1原子干涉儀154.2冷原子鐘164.2.1銫冷原子噴泉鐘164.2.2空間冷原子鐘174.3冷原子的俘獲與操控184.4量子計算機184.5空間冷原子的量子仿真194.5.1空間簡并費米氣體仿真中子星演化194.5.2超冷原子仿真黑洞輻射20第五章 總 結21參考文獻22致 謝24重慶大學本科學生畢業設計（論文） 緒論 第一章 緒 論 科學之所

16、以能夠不斷的進步和突破，是因為人們永遠都想測得更準些。幾十年之前，人們利用激光冷卻的方法獲得冷原子之后，今天的冷原子物理已經成為一門綜合性非常強的交叉性學科。包括了許多前沿的研究領域，例如：原子光學、量子信息、超低溫物理、精密譜與時間頻率標準等。本文重點介紹了有關冷原子的研究方法、研究現狀和現實應用。1.1選題的依據及意義 冷原子物理的發展與冷原子自身的特性是分不開的，冷原子之所以受眾多科學家的青睞同樣是冷原子與熱原子相比有著明顯的優勢。利用激光冷卻技術獲得的冷原子具有以下特征：運動速度小、溫度低、原子能級譜更加精細、物質波波長長1。利用這些性質進行的科學研究，是熱原子沒有辦法達到的。如：19

17、95年美國天體物理聯合研究所成功實現了超冷Rb原子的BEC；1996年麻省理工學院實現了原子激光。此外還有，冷原子的碰撞形成冷分子、用超冷原子研究量子混沌、超冷原子氣體中光的低速傳播、用囚禁冷原子進行痕量分析、用冷原子模擬天體過程等。冷原子物理研究還提供了形成高新技術的潛在可能，如用原子光學實現納米加工、原子刻蝕、原子干涉儀、量子計算機等。 激光冷卻冷原子物理領域曾在5年內誕生來了兩次諾貝爾物理學獎，其重要性不容忽視。依靠激光冷卻技術獲得的超冷低溫原子因為有著其他狀態的物質所沒有的優勢，在可預見的未來將對人類文明發展起到十分關鍵的作用。1.2國內外的研究現狀 冷原子物理研究是近年來物理學的注目

18、點，幾乎所有的發 達國家的重要研究機構都在為不同的目的展開了相關研究。如美國的NIST、噴氣推進實驗室、阿貢國家實驗室等，英國的國家物理實驗室、牛津大學，德國的馬普量子光學研究所、慕尼黑大學等。國內在冷原子實驗研究方面有以下幾個小組：北京大學王義道小組、上海光學精密機械研究所王育竹小組、武漢物理數學研究所詹明生小組和高克林小組2。 國內外的研究取得了一大批成果。在微小尺度芯片上利用刻印技術制作電路，通電流后產生足夠的梯度磁場，利用該種微磁阱陣列，德國馬普量子光學研究所等兩個小組在芯片表面上同樣實現了BEC。BEC是一個超低密度的凝聚態體系，比空氣稀薄十萬倍，致使溫度如此之低以至于原子之間的弱相

19、互作用會產生常規的凝聚態效應，美國的科羅拉多大學、MIT、法國巴黎高師等幾個小組先后實現氣體BEC的量子漩渦，研究了量子渦旋產生、運動、晶化和耗逸動力學。盡量避免和消除環境對原子譜線位置、線寬、強度的影響，并將振蕩器鎖定在該譜線上，可得到超高穩定度的精確度的原子頻率標準，原子頻標不但應用于原子分子精密測量基礎研究領域，目前還廣泛應用于全球定位系統，原子頻標在國防和國民經濟中起著至關重要的作用。量子信息以微觀體系的量子態作為信息的載體，電子等粒子的每一個態的自由度均可以作為一個量子位。目前雖然有許多的方案，但是還未能實現量子邏輯門，而量子計算將是量子信息處理方面的重要突破方向，量子計算機的問世一

20、定會給人類帶來新的計算機革命。26重慶大學本科學生畢業設計（論文） 冷原子的實驗研究方法 第二章 冷原子的實驗研究方法 溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體內分子熱運動的劇烈程度的反應。隨著實驗中溫度的降低，我們對世界的認識越來越全面和具體。例如1911年卡末林-昂內斯將金屬冷卻到極低溫度時發現了超導現象，20世紀40年代He的超流性發現等。在1980年之后，隨著激光冷卻技術和原子囚禁技術的發展，使得氣體原子的溫度達到了mK以下，許多意義重大的物理現象顯示了出來，而玻色-愛因斯坦凝聚現象的實現，更是開辟了冷原子物理新篇章。2.1激光冷卻技術 當原子在相向傳播且頻率略低于原子躍遷能級

21、的一對激光束中運動時，由于多普勒效應的存在，原子在背離激光的光源時，這個原子看到的激光頻率將降低，這樣一來該原子不會吸收激光的能量，反而會更傾向于吸收與原子運動方向相反的光子，被吸收后的光子將各向同性地進行自發輻射。總的來說，兩束激光的合作用就是產生了阻礙原子運動的阻尼力，從而使原子的速度降低，溫度逐漸冷卻下來。1985年，美國國家標準與技術研究院的William D.Phillips和斯坦福大學的Steven Chu利用三維激光束形成的磁光阱將原子囚禁在一個極小的空間區域中冷卻3，獲得了更低溫度的“光學粘膠”，實驗室所達到的最低溫度已經非常接近絕對零度了。隨著激光冷卻技術的發展，后來出現了著

22、名的“速度選擇相干布居數囚禁”和“拉曼冷卻”等一系列激光冷卻技術。 相干布居數囚禁是利用兩束相位差恒定的相干激光將原子基態的兩個超精細能級耦合到一個共同的激發態，如果這兩束相干激光的頻率差嚴格等于原子兩超精細能級對應的頻率，那么原子就將會被抽運到一個相干疊加態上。此時激發態上沒有原子，原子被“布居囚禁”在基態的兩超精細能級上。2.2磁光阱 磁光阱主要是用來囚禁中性原子，它由三對兩兩相互垂直、具有特定偏振態并且負失諧的激光束形成的三維空間駐波場和反亥姆赫茲線圈產生的梯度磁場構成。負失諧的激光利用激光冷卻原理，對原子產生阻尼力，使原子匯聚在一定的區域，形成光學黏團4。為避免原子發生發散或逃逸，利用

23、梯度磁場施加一勢阱，使原子受到內向力的作用而束縛在一定的區域內。俘獲的原子氣體的溫度小于1mK，原子的密度為1010/cm³，原子密度增加的限制性因素是原子之間的相互碰撞，尤其是處于基態的原子與處于激發態原子的碰撞。為了解決這一問題，美國麻省理工學院提出“暗點磁光阱”，在超冷原子聚集的地方，減弱冷卻光的光強，以此減少激發態原子的數目，增加原子聚集密度，從而收集到更多的原子。 研究表明，在磁光阱中，被俘原子的數目隨著梯度磁場的減少而減少，隨著冷卻光的增強而增多。但被俘獲的原子數目不能一直增加，而是存在飽和效應5，這使得存在一個最佳的失諧頻率使得俘獲的原子數目達到最大。而被俘原子的密度與

24、梯度磁場和冷卻光光強的關系與上述情況類似。 2.3蒸發冷卻與全光阱 在激光冷卻技術日漸成熟之時，蒸發冷卻技術也發展起來。蒸發冷卻技術是將平衡分布中的速度較快的原子從陷阱中蒸發，達到排除的目的，如圖2.1所示。而且蒸發冷卻是達到nK溫度的關鍵一步，利用原子氣體之間的彈性碰撞，使其達到新的平衡分布。碰撞是整個過程中重要的物理機制，而原子與背景氣體或與其他原子之間的非彈性碰撞則會使該原子脫離陷阱，降低了俘獲原子的密度，所以非彈性碰撞是不利于原子囚禁的碰撞。 圖2.1 蒸發冷卻原理示意圖 全光阱是利用振幅梯度形成的偶極力去束縛原子的，在光場中原子受到光場的誘導而產生電偶極矩，這種感應生成的電偶極矩又與

25、光場相互作用，時原子受到偶極力。如圖2.2所示，是兩束激光束對射形成的勢阱，由于光阱對原子的加熱和勢阱比較淺的缺點，使得光阱并不能有效地囚禁原子。圖2.2 兩束負失諧的激光束對射形成的光阱2.4結論與分析 冷原子作為一個全新的研究領域，近十多年來蓬勃發展，展現了巨大的潛力和研究價值。其中玻色-愛因斯坦凝聚作為非常重要和有意義的現象，一直是冷原子實驗中的焦點，而實現BEC的第一步，也是所有類似實驗的第一步就是獲得冷原子并將少量原子囚禁起來研究。前面介紹的激光冷卻技術、磁光阱技術、蒸發冷卻等都是通過各種方法去降低原子的速度，從而獲得冷原子或超冷原子，達到實驗的目的。另外一點，我們都知道激光具有較高

26、的能量，可以為物體加熱，而激光冷卻技術卻是利用了多普勒效應和動量原理來降低原子溫度，這是一種物理現象的兩種截然不同的應用，可見我們在學習知識時應該多方面考慮，打破僵化思維，這樣才可以取得新的成就。 冷原子之所有受到全世界科學家的青睞是有原因的，“冷原子”具有以下幾個重要特征：（1）速度慢，動能小，便于利用弱場（光場，梯度磁場）進行操控，原子的空間位置可以達到高精度的控制；（2）deBroglie波長長，原子的波動性明顯，粒子性減弱；（3）原子的熱運動微弱，光譜的多普勒加寬小。國內外的多家重要研究機構都展開了有關冷原子的研究，國外的有美國的NIST、噴氣推進實驗室，英國的國家物理實驗室、MIT等

27、，日本的電氣通信大學、東京大學等。國內的有北京大學、上海光學精密機械研究所、武漢物理與數學研究所等。 重慶大學本科學生畢業設計（論文） 冷原子與冷原子系統的理論研究現狀 第三章 冷原子與冷原子系統的理論研究現狀 冷原子的物理性質和特性我們在前面已經做了比較詳細的描繪，利用這些“熱”原子所沒有的性質可以很好的解決許多有意義的物理問題。例如玻色-愛因斯坦凝聚現象的實現、原子激光的制得、Steven Chu對一個原子的重力加速度的精確實驗測量、利用冷原子去近似模擬天體的運行過程等。 當代物理學對于微觀世界的研究劃分為三個領域。第一個是粒子物理，粒子物理的研究工作需要依托大型實驗設備。第二個是凝聚態物

28、理，主要是研究大量粒子組成的凝聚態結構，宏觀物理性質以及動力學特性的學科。第三個是原子分子與光物理。冷原子物理則是貫穿于這三門學科的交叉性科學，其意義重大不言而喻。并且冷原子物理方面的研究成果兩次獲得了Nobel獎，其物理學價值巨大，前景光明。3.1玻色-愛因斯坦凝聚 20世紀20年代初，印度物理學家玻色提出了“全同粒子”概念，這個概念的提出，使得每個光子的能量都能很好的滿足愛因斯坦的光量子假設，并且同時滿足了玻爾茲曼的最大幾率分布統計假設。這樣一來，就徹底解決了普朗克在黑體輻射問題上推導出來的半經驗公式問題。其后愛因斯坦意識到玻色工作的重要性，并將玻色對于光子的統計方法推廣到了粒子數守恒的原

29、子上，最終預言了一種全新的物質狀態：當這類原子處于極低的溫度時，所有原子都會聚集在可能低的能量狀態上。這種相變被稱為玻色愛因斯坦凝聚(BoseEinstein Condensation，BEC)6，而符合這種統計的粒子稱為玻色子，即我們通常所說的原子的總的自旋量為1/2偶數倍的粒子。人們熟知的物質狀態有固態、液態、氣態、等離子態，而玻色-愛因斯坦凝聚態就是物質第五態。當然并非所有的粒子都可以形成BEC，服從于費米狄拉克統計的粒子就不能形成BEC，也就是費米子，因為它服從泡利不相容原理。3.1.1玻色-愛因斯坦凝聚的實現 自BEC思想問世之后，許多科學家埋頭于實驗室，設計各種實驗去驗證BEC現象

30、，而這一段路程漫長而又崎嶇。最初在1938年，英國物理學家提出導致低溫下液氦的超流現象的原因是氦原子的BEC，不過這種猜想不為人們所接受，以為整個實驗系統中存在許多的強相互作用，BEC表現的不夠單純；在之后20世紀50年代末期美國芝加哥大學的Hecht提出新的方案，他采用一種最簡單的自旋極化氫原子氣體作為BEC的基礎體系，然后他所得到的凝聚體系也不能算是真正的玻色-愛因斯坦凝聚體系。 直到1995年6月，美國科羅拉多大學物理研究所的Wieman和美國國家標準技術研究所的Cornell在實驗中第一次直接觀測到了真正的玻色-愛因斯坦凝聚。他們在磁光阱中對銣Rb采用激光冷卻技術，然后利用蒸發冷卻的方

31、法在磁阱中將原子冷卻達到BEC所需要的低溫。他們最后達到的最低溫度為170nK，僅比絕對零度高出千萬分之一，最后他們二人成功的觀測到了銣原子數目為2000的玻色-愛因斯坦凝聚現象7。不就之后又有另外兩組實驗分別觀測到了鈉原子蒸汽中的BEC和堿金屬鋰原子的BEC現象，而由于鋰原子之間是相互吸引的，粒子團之間容易發生碰撞而導致整個凝聚體系崩潰。這三個實驗相互補充印證，真正意義上實現了玻色-愛因斯坦凝聚現象，是一個重要的里程碑，具有劃時代的意義。 3.1.2玻色-愛因斯坦凝聚的前景 任何一個物理現象的背后都有其深遠的現實意義，關鍵在與我們能否及時發現并應用，現代物質文明的進步與科學技術的進步密不可分

32、。同樣玻色-愛因斯坦凝聚作為冷原子物理學中重要的理論基礎以及它奇特的性質都使得BEC現象具有重要的現實意義，對于相關問題的研究已經成為現代物理的前沿領域之一。我們都知道，光的折射性原理：C1/C2=N1/N2。當光進入折射率大的介質時，速度會降低，一般來說只有原來光速的幾分之一。而利用玻色-愛因斯坦凝聚體系作為特殊的介質，可使光速降低到零，光速的降低會帶來許多的好處，對于未來研究光學計算機有非常重大的意義。同時利用這項原理也可以開發將不可見的紅外光線轉變為可見光的技術，減少通訊噪音，提高數據的傳輸質量，開發新的夜視裝備等8。毋庸置疑的是，玻色-愛因斯坦凝聚現象的研究將對二十一世紀物理學昌盛深遠

33、的影響，對科學技術的進步起到極大的促進作用。 3.2原子光學與原子芯片 根據波粒二象性原理，任何粒子都具有波動性和粒子性，原子光學就是研究低溫原子束波動性的科學，包括了原子的幾何光學和波動光學。由于原子具有一定的大小與質量，其穿透能力非常弱，無法穿過任一實物介質，必須利用中性原子的波動性質及外場（磁場、電場）和中性原子的相互作用來實現對原子的操控，從而在一定的情況下表現出類似于光子的某些性質。3.2.1原子光學的發展 原子作為一種實物粒子，與靜質量為零的光子相比，其穿透能力非常弱。在普通光學中我們可以利用實物光學器件（如棱鏡、透射鏡、反射鏡和光柵等）來實現光的色散、偏轉、反射、衍射等現象。然而

34、原子束的偏轉、反射、準直、聚焦成像、衍射、干涉、分束和原子全息技術等職能依靠磁場、電場和磁場組成的原子光學器件來完成。為了有效地控制中性原子的運動，必須首先利用激光冷卻技術對熱原子進行冷卻，大大降低原子的溫度，使得原子的動能遠低于偶極相互作用的勢能，使偶極相互作用力能后輕易地對原子進行操控，并且同時有效增加原子運動的波動性，更加便于研究原子的反射、衍射、干涉等性質9。近年來，由于冷原子物理的發展，特別是玻色-愛因斯坦凝聚現象的實現，原子光學同時也有了飛速發展，在這種情況下，科學家設計了各種原子光學器件，如原子分束器、原子開關、原子反射鏡等。此外，由于原子的內部還具有復雜的能級結構，原子光學的研

35、究內容還顯得非常廣闊，同時其應用前景也得到了極大的豐富。 隨著原子光學的不斷發展，并逐步的與冷原子物理相融合，怎么引導冷原子的問題越來越受到科學家的關注。對于集成原子光學，原子導引是基本而又關鍵的。在激光冷卻技術和囚禁技術的幫助下，為了獲得微型化的原子光學器件，人們嘗試將原子與宏觀物體相互靠近。Denschlag等人利用直徑為50微米的鎢絲實現了對冷原子的導引10。這種導引模型為開普勒導引，如圖3.1所示，原子的運動軌跡為繞著導線做開普勒軌跡運動。 圖3.1 利用開普勒導引對冷原子導引3.2.2原子芯片的發展 芯片是電子器件學中將電子元器件微型化并且高度集成得到的產品，由于其超高的集成度和微小

36、的尺寸，芯片幾乎存在于日常生活中的方方面面。現有的電子芯片技術是利用半導體材料上制造的各種物理結構（比如p-n結），通過對電子運動的控制來實現的。其中是對大量電子流向的控制。在原子芯片的設想中，是通過對單個原子的操控來實現現有電子芯片的功能。例如，在原子光學中為了提高實驗的精確度、穩定性，需要對尺寸較大的分立的原子光學期間進行微型化處理，同時隨著冷原子物理的不斷深入發展，人們需要建立相應的觀測系統對冷原子這樣一個可以方便操控的量子體系進行觀察，原子芯片的構想就這樣產生了。為了真正的實現原子芯片，人們必須把諸如微型磁阱、原子導引等原子光學器件進行微型化并集成到一個芯片上。利用光刻技術，在芯片上面

37、刻上金屬線，形成梯度比較大的梯度磁場，并且將不同的微型化的原子光學器件利用這些光刻上去的金屬線連起來形成復雜而又穩定的光學回路。Dekker等人在一個芯片的表面利用該拘束成功地實現了原子導引，其具體結構如圖3.2所示。 圖3.2（a）兩根金屬線組成原子導引，外加一個均勻 偏置磁場；（b）原子導引的磁場等勢線分布；（c） 四根金屬線組成的原子導引；（d）原子導引的磁場 等勢線分布 隨著光刻技術日漸成熟，原子芯片上已經可以實現集成一系列的原子導引、微型磁阱和其它原子光學器件，甚至已經在實驗中實現了原子芯片上的BEC，而利用原子芯片實現玻色-愛因斯坦凝聚有一個巨大的優勢就是可以通過芯片表面細小的導線

38、結構設計去實現復雜的磁場，這是一種里程碑式的工作，在未來還會收獲更多豐碩的果實。 原子芯片技術已經取得了令人欣慰的成果，然而還有許多的工作需要完善，還有許多問題亟待解決。例如:(1)要在原子芯片上實現對原子的存儲工作；(2)在設計更加復雜的金屬細線結構時需要設計細線的銜接裝置；(3)需要更加微小的原子光學器件。3.3超冷里德堡原子 里德堡原子是一類特殊的原子，這種原子電偶極矩、原子半徑和碰撞截面都很大，主量子數n非常大并且處于高激發態，壽命和相互作用時間長11。此外，里德堡原子極化率很大，非常容易受到外場的影響，所以可以輕易地利用外加電場去調節原子的能級。近年以來，隨著激光冷卻技術和冷原子物理

39、的發展，人們可以利用超冷原子作為介質，這種介質的優點在于原子的溫度低，熱運動動能遠小于原子之間相互作用能，如此一來為研究里德堡原子之間的相互作用提供了可靠的技術平臺。里德堡原子的這些性質和超冷里德堡原子的Blockade效應對于構建量子邏輯門（一個基本的，可操作一個小數量量子位元的量子線路，與多數傳統邏輯門不同，量子邏輯門是可逆的）有重大的幫助，同時對于量子信息存儲的研究有重要的意義。3.3.1里德堡原子的產生與探測 一般情況下有三種方式產生里德堡原子：第一種是通過電子碰撞12，第二種是通過電荷交換13，第三種是光激發方式。前面兩種方法都是早期時候人們獲得里德堡原子的方法，其獲得率低，不是很好

40、的實驗方法。直到后來激光發明之后，光激發的方法稱為主要的方法，根據選擇定則，我們可以利用單個光子的激發去獲得np態的里德堡原子，或者可以利用具有更高激發效率的多光子去激發而得到處于高激發態的里德堡原子。如圖3.3所示銫原子6S6PnS/nD的雙光子激發過程。 圖3.3 雙光子激發銫原子的能級示意圖 對于里德堡原子的探測實驗上一般有兩種方法：一、里德堡原子通過自發輻射會向低的能態輻射躍遷，產生熒光，利用光電倍增管可以去探測熒光信號，可以得到相應的里德堡原子的信號，達到探測目的14，這種放大主要用于探測n15的里德堡原子；二、里德堡態原子最外層電子的束縛能很小，價電子被束縛在很大的軌道半徑上，很容

41、易通過碰撞電離或場電離形成電子和離子，然后利用離子信號探測器或電子信號探測器來探測里德堡原子。3.3.2里德堡原子與邏輯門 量子信息作為物理科學中的前沿領域，一直受到人們的大量關注。人們在冷原子、冷離子和腔場量子電動力學(QED)15等模型中進行量子邏輯門的研究工作。邏輯門是在集成電路上的基本組件，高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”，從而實現邏輯運算。超冷里德堡原子相干時間長、相互作用強和壽命長，所以超冷里德堡原子在構建量子邏輯門從而為實現量子存儲技術方面提供了可行性。 科學家建造了一種實驗模型去實現可控非門（CNOT)16,其主要思想和主要理論基于里德堡原子相互作用而導致的Bloc

42、kade效應和單原子激發。如圖3.4所示，將兩個原子分別放置在相互距離為10m左右的阱中，將其中的一個原子作為目標原子，另外一個原子作為控制原子，所有的這兩個原子都是由里德堡態r和基態1組成的二能級系統。首先當控制原子處在基態時，用一束激光脈沖將目標原子激發至里德堡態然后在退激發到基態，這樣一來目標原子的基態相位與激發前相反，表示為11。然后在激光去激發目標原子之前就將控制原子激發至里德堡態，這樣一來由于里德堡原子之間的相互作用從而抑制了目標原子的激發，他將一直保持在基態上，表示為11。最后結合這兩種情況就實現了可控非門（CNOT）。 圖3.4 雙原子構成可控非門3.4磁光阱中冷原子的實驗特性

43、 在利用激光減速原子束達到降低原子溫度實現冷原子囚禁這個方法中，原子束裝置非常龐大，這不算是一個非常好的實驗室方法。目前來說，利用磁光阱實驗是獲得冷原子最便宜有效的方法，在真空室中直接冷卻捕獲處于室穩狀態的原子，可以獲得極大的方便。在此之后，大量的科研小組圍繞磁光阱的冷卻效率、囚禁的原子數目、原子密度極限和平衡時的溫度等問題展開了許多富有創新色彩的實驗。這些實驗的不斷進行，使磁光阱技術已經發展到比較成熟的地步，最大的成就莫過于物質第五態玻色-愛因斯坦凝聚態的實現。 當冷原子被冷卻到接近絕對零度的低溫時，它們的運動速度非常低，同時運動速度分布也極窄，這種性質與室溫下的原子不同，具有一定的研究意義

44、。另外冷原子在反抽運激光的光抽運作用和冷卻光的減速作用下會以極低的速度分布凝聚在基態的某個能級上，這與處于熱平衡狀態的原子由很大的不同，導致了冷原子在基態性質上發生了較大的變化。3.4.1磁光阱中冷原子的排斥和吸引 磁光阱中原子的密度能夠達到-/,冷原子的數目能夠達到107-1010個17。處在這種狀態下的冷原子之間會存在很強的相互作用，這些冷原子在磁光阱中的運動包括一些相對有序的振動和大量無規則的隨機游動，導致原子之間的距離是不斷變化的，而不是一成不變的。當原子之間的距離足夠小時，由于范德瓦爾斯力的存在，原子之間有較強的吸引作用，相鄰的兩個原子則會暫時構成長程雙原子分子，以這個狀態存在。實驗

45、中已經證實鋰、鈉、鉀、銣、銫等堿金屬冷原子存在長程雙原子分子狀態。 磁光阱中的雙原子長程分子狀態是不穩定的，當兩個冷原子足夠接近時，它們之間會由于相互碰撞而使雙原子分子狀態消失。與室溫下原子之間的碰撞不同，我們習慣上稱這種碰撞為超冷碰撞。目前主要有兩種理論圍繞超冷碰撞展開：一是精細結構能級交換理論，二是輻射逃逸理論。冷原子之間的超冷碰撞是造成磁光阱中原子逃逸的一個主要原因，同時也是限制應用冷原子進行原子頻標精確度進一步提高的因素。在研究超冷原子的排斥和吸引時，對于磁光阱中原子的密度要求是不一樣的。當我們進行原子噴泉頻標時，在保證信噪比的前提下，應該盡量降低超冷原子的密度，減弱原子碰撞帶來的影響

46、。然而在進行長程分子狀態研究實驗時，應該盡量提超冷原子的密度，增加原子之間碰撞的幾率，使之產生更多的長程雙原子分子18。3.4.2冷原子的非線性特性 利用磁光阱得到的冷原子樣品是一種性能良好的非線性介質，前面已經提到過，這些冷原子速度分布極窄而且密度很大。在微弱的激光束的探測下，我們可以觀測到磁光阱中冷原子對探測光的非線性吸收和散射。我們通常在一個諧振腔中去研究冷原子介質的吸收與增益特性，這是對非線性介質進行研究的常用手段和方法。將利用激光冷卻技術囚禁的一團原子放置在光學諧振腔中，另外加一束探測光，觀察該探測光在一定光強下透射的功率，我們發現探測光的透射功率會有一個明顯的突變，這就是一種典型的

47、雙穩態。冷原子的這種非線性特性與多方面的因素有關，包括光抽運效應、多能級原子的超精細結構及其在磁場中更加復雜的能級結構。 冷原子的非線性過程主要表現在兩個方面：一是由于飽和效應的存在，使得處于不同能級上的原子數趨于平衡，所以導致冷原子介質的折射率隨著探測光的光強增加而減小；二是由于光抽運效應可以將原子抽運到某一個磁子能級上，那么原子在各子能級上的布居數偏離熱平衡分布，冷原子介質的折射率就會增加。諧振腔中冷原子的雙穩態和非穩態都是它們非線性特性的體現，是原子能級之間光抽運和飽和效應共同作用在冷原子上的結果。3.5結論與分析 自激光冷卻技術制得冷原子之后，又一扇物理世界的大門被科學家推開了一條縫，

48、作為一個全新的未被世人認識的領域，它對全世界的科學家有著巨大的吸引力。而從玻色-愛因斯坦凝聚的提出到BEC的實現，冷原子物理進入了蓬勃發展的狀態，這扇大門又被人使勁的推開了，自此之后冷原子的相關研究是四處開花，正如上面所提到的一些。由于冷原子自身的特殊性，使得科學家們樂此不疲的進行這種或那種的實驗，各種理論也是不斷地被提出來解釋各種現象，冷原子似乎被物理學界炒“熱”了。 隨著冷原子技術的成熟，各種原子的玻色-愛因斯坦凝聚不斷地在實驗室被科學家們實現，BEC已經成為原子光學、多體物理、量子漩渦、量子相變和碰撞物理等領域研究的超低溫平臺。同時原子芯片的發展，使得原子光學儀器更加的微小和集成化，這很

49、好的符合了人們對于未來科技產品發展的需求方便攜帶而又功能強大，關于這方面的研究在不斷的深入，相信在不久的將來會有令人欣慰的成果。關于冷原子的研究現狀已經不是一兩句話能夠說清楚的，除了 本文中提到的一些方面，還有許多其他方面的研究，這里就不一一贅述了。 可以說，在實驗室中實現BEC是一個實驗室研究水平的標志。放眼全世界，已經有許多的國家先后在實驗室中完成了BEC，這些國家包括：美國、英國、法國、德國、日本、荷蘭、意大利以及中國等。國內在有關冷原子方面的研究起步并不是很晚，但由于各方面的原因并沒有在研究技術水平上領先于國外，隨著國內對冷原子研究的重視，我國的冷原子物理相關研究肯定會更上一層樓。重慶

50、大學本科學生畢業設計（論文） 冷原子與冷原子系統的應用 第四章 冷原子與冷原子系統的應用 冷原子物理中激光冷卻技術兩次獲得了諾貝爾物理學獎，這樣一個研究領域不斷的取得重要的研究成果，不斷地受到人們的重視，這與該項研究領域的深層次意義是分不開的。可能以前的物理學家也許不會想到，依靠激光冷卻技術囚禁獲得的冷原子會具有其他狀態的原子所沒有的優勢，相信在可預見的未來會對現代文明的發展起到非常重要的作用。4.1原子干涉儀 按照量子力學的觀點，所有的微觀粒子都具有波粒二象性，粒子的物質波波長（德布羅意波）h/mv。由于室溫粒子其速度一般都在幾百米每秒，導致其物質波波長很短，大約在10-12 米量級，而且原

51、子之間相干長度短，所以難以形成干涉。然而利用激光冷卻之后，冷原子的最低溫度甚至可以達到nK，平均速度只有幾厘米每秒，物質波波長量級大約在10-7米，相干長度很長，這樣一來就可以觀測到粒子的相干現象19。 利用上述的原理，可以制成原子干涉儀。原子干涉儀的一個重要特性是可以用來研究引力效應，另外由于冷原子的速度遠遠低于光速，所以與光學干涉儀相比，原子干涉儀的研究過程更長，靈敏度和精確度都得到了大大的提高，并且用在了許多光學干涉儀不能涉及的方面，例如驗證量子力學中許多經典的結論。原子干涉儀有著廣泛的應用前景，由于它的靈敏度和精確度都極高，科學家可以利用這種儀器來檢驗廣義相對論、尋找原子靜電、第五種基

52、本作用力和進行地質研究等。 科學家們成功制得的原子干涉儀有三光柵結構干涉儀、原子波楊氏雙縫干涉儀、受激拉曼躍遷原子干涉儀和Ramsey原子干涉儀。其中原子波楊氏雙縫干涉儀是原子干涉儀中結構最簡單而物理圖像最清晰的一種，最重要的一點是如何將原子波包很好的分開與合成。如圖4.1所示，He原子束從噴嘴噴出后，經過膨脹冷卻后由電子碰撞產生兩個亞穩態的原子，干涉條紋由可移動平臺上的二次電子倍增器（SEM）和一條狹縫記錄。 圖4.1 熱原子束楊氏雙縫干涉實驗裝置圖20 原子干涉儀和原子光學是冷原子物理中的一個新興林古月，前景廣闊，隨著其他相關技術的成熟，原子干涉儀的研究也被注入了一股新的活力，甚至有人認為

53、這是諾貝爾獎得獎熱門領域。從各個方面來講，原子干涉儀都具有巨大研究價值和潛力。4.2冷原子鐘 冷原子由于自身溫度低，運動速度小，所以冷原子之間的碰撞遠遠少于熱原子，而由于原子之間的碰撞是原子能級的寬度增加的主要因素，這樣一來較之于普通原子，冷原子的能級結構更加精確并且有更窄的躍遷光譜21。這對原子能級及各種常數的精確測量有非常重大的意義，國際上的許多國家都早已經展開了冷原子激光放大器的研究，獲得了單色性非常好、線寬非常窄的激光譜線。 原子鐘（原子時間頻率標準）是人類進行高精度科學技術活動的基本條件，如果能夠將時間頻率測量的準確度和精確度進一步提高，那么將會從根本上改變現在重大自然科學研究和技術

54、的現狀。例如光速各向異性的測量、廣義相對論的驗證、原子物理常數隨時間變化的測量等內容，這些都需要精密的計時標準。而作為原子鐘最重要的現實應用之一就是應用于全球衛星定位系統（GPS）。原子能級的精確程度完全決定了原子鐘的精度，而我們已經知道冷原子的能級精度要遠遠高于普通熱原子，冷原子鐘將會輸出更加精準的頻率，這會將應用于科學實驗研究的時間精度大幅度地提高，對人類的時間標準和距離標準的測量會起到革命性的改進。正是由于冷原子鐘這些無與倫比的特性使得它成為未來全球定位系統和宇宙空間定位系統的核心技術，美國航空航天局（NASA）就已經開展了空間冷原子鐘的研究，高精度空間冷原子鐘同時可以作為空間站的一個有效載荷，對于空間實驗室和空間站的建設影響重大。人類的活動范圍在將來將會越來越廣泛，對于計時標準的要求就會越來越高。4.2.1銫冷原子噴泉鐘 1995年，法國計量局首次報道了激光冷卻-銫冷原子噴泉鐘。冷原子噴泉鐘克服了傳統銫原子鐘的幾個重要的誤差來源，其精確度更高，從而將時間頻率標準提高到一個新的水平。2003年，中國計量科學研究院成功制得了銫冷原子噴泉鐘，使我國在時間頻率基準測量上達到世界先進水平。銫冷原子噴泉鐘利用三維六束正交激光和反亥姆赫茲梯度磁場形