把原子“藏起來”？這個(gè)大膽的想法，成功刷新原子低溫紀(jì)錄

隨著原子所能冷卻的溫度不斷降低，物理學(xué)家們已經(jīng)突破了“多普勒冷卻極限”，并且逐步逼近“亞多普勒冷卻極限”。要想進(jìn)一步冷卻原子，還要克服更多的問題。比如，原子與激光光束之間的散射相互作用，以及自發(fā)輻射過程中光子的反沖效應(yīng)，均有可能會(huì)導(dǎo)致原子處于隨機(jī)行走狀態(tài)，讓原子很難徹底“安靜”下來。

也就是說，這些好不容易冷卻到近乎靜止?fàn)顟B(tài)的原子，會(huì)在光子的反沖作用下再次加熱，從而達(dá)到“激光冷卻-反沖加熱”之間的動(dòng)態(tài)熱平衡。

那么，難道說原子所能達(dá)到的最低溫度只能是“亞多普勒冷卻極限”嗎？

圖一：氦原子（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

01 一個(gè)大膽的想法：把原子“藏起來”

當(dāng)然不是，物理學(xué)家們提出了一個(gè)大膽的想法：為何不將這些好不容易冷卻下來的原子直接“藏起來”，從而避免與激光光束再次發(fā)生散射相互作用？這樣一來，原子就有機(jī)會(huì)真正地“冷靜”下來，而不會(huì)被光子的反沖作用再次加熱了。

為了驗(yàn)證這個(gè)大膽的想法，物理學(xué)家們提出了“速度選擇的相干布局囚禁（Velocity Selective Coherent Population Trapping, VSCPT）”這種頗具創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)方案。借助這種實(shí)驗(yàn)方案，物理學(xué)家們就可以讓速度幾乎為零的原子進(jìn)入“暗態(tài)”，從而避免原子與激光光束發(fā)生散射相互作用，并且最終突破了“亞多普勒冷卻極限”！

02 將原子藏在哪里？藏在“暗態(tài)”里

顧名思義，這里的“暗態(tài)”就是指原子處于某一個(gè)無法與激光相互作用的特定基態(tài)。為了幫助各位讀者更好地理解“原子是如何轉(zhuǎn)移到‘暗態(tài)’的”這一過程，我們考慮一個(gè)最簡(jiǎn)單的型三能級(jí)原子模型：

圖3三能級(jí)原子進(jìn)行特定躍遷的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

圖4 三能級(jí)原子進(jìn)行自發(fā)輻射的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

圖5 三能級(jí)原子最終轉(zhuǎn)移到“暗態(tài)”的示意圖

（圖片來源：作者自繪）

03 刷新原子的低溫紀(jì)錄——突破“亞多普勒冷卻極限”！

俗話說，只有想不到，沒有做不到。

為了驗(yàn)證上述這種大膽想法，法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院的克洛德·科昂·搭努吉研究小組在1988年提出了一種名為“速度選擇性的相干布局囚禁”的實(shí)驗(yàn)方案，并且成功將氦原子（4He）進(jìn)一步冷卻到大約2微開爾文（即10-6 K）的超低溫度。

作為對(duì)比，氦原子的“多普勒冷卻極限”為23 微開爾文，而理論上氦原子的“亞多普勒冷卻極限”約為4微開爾文。也就是說，該研究小組刷新了當(dāng)時(shí)氦原子冷卻的低溫紀(jì)錄，這標(biāo)志著物理學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)上突破了“亞多普勒冷卻極限”。

圖6 氦原子

（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

也許會(huì)有讀者在思考，上述的“速度選擇性的相干布局囚禁”實(shí)驗(yàn)方案，如何體現(xiàn)出所謂的“速度選擇性”呢？

圖7 處于靜止?fàn)顟B(tài)的氦原子躍遷示意圖

（圖片來源：作者自繪）

圖8 處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的氦原子躍遷示意圖

（圖片來源：作者自繪）

在理論上，只要選擇精確地調(diào)節(jié)兩束激光的頻率等參數(shù)，就可以將原子冷卻到平均速度很小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著原子與激光的相互作用時(shí)間的延長(zhǎng)，原子就有可能不斷地降低溫度直至絕對(duì)零度。

04 眾望所歸的榮譽(yù)——1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

對(duì)于執(zhí)著探索低溫極限的物理學(xué)家們而言，并不滿足只將原子冷卻到μK量級(jí)。他們希望將原子的低溫極限進(jìn)一步推到nK（納開，即10-9 K ）量級(jí)，從而進(jìn)一步刷新原子冷卻的低溫記錄。

于是在1995年，C Cohen-Tannoudji研究小組再次利用“速度選擇性的相干布局囚禁”實(shí)驗(yàn)方案，首次成功將氦原子團(tuán)的三維運(yùn)動(dòng)方向上的溫度冷卻至大約180 nK。隨后在1997年，該研究小組又提出了一種全新的溫度測(cè)量方案，能夠直接地測(cè)量經(jīng)過冷卻后的氦原子溫度。測(cè)量結(jié)果表明，采用“速度選擇性的相干布局囚禁”方案冷卻后的氦原子，其最低溫度為大約5 nK。

正是憑借著探索原子冷卻極限的突出貢獻(xiàn)，法國(guó)物理學(xué)家C Cohen-Tannoudji也在1997年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并且獲得了當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1/3的獎(jiǎng)金。

圖9 激光冷卻技術(shù)方案的發(fā)展歷程圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)4）

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，物理學(xué)家們憑借著豐富的想象力和精巧的實(shí)驗(yàn)方案，將原子的冷卻極限從最初的mK量級(jí)降低至μK量級(jí)，并且最終達(dá)到了nK量級(jí)的超級(jí)低溫。

那么對(duì)于具有大量原子數(shù)目的原子系綜，在低溫狀態(tài)下是否也會(huì)發(fā)生與宏觀世界類似的“凝聚現(xiàn)象”呢？其實(shí)，這個(gè)科學(xué)猜想同樣也被百年前的兩位偉大的物理學(xué)家（阿爾伯特·愛因斯坦和S·N·玻色）所討論過呢。

接下來，請(qǐng)讀者思考一下這個(gè)百年前的科學(xué)猜想能否實(shí)現(xiàn)，并且?guī)е闷嬖谙乱黄恼轮泄餐议_謎底吧！

作者：欒春陽(yáng) 清華大學(xué)物理系博士

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員

出品：科普中國(guó)

參考文獻(xiàn)

[1] （VSCPT）Aspect A, Arimondo E, Kaiser R, et al. Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity-selective coherent population trapping[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(7): 826.

[2] （C Cohen-Tannoudji, 1995-氦原子團(tuán)-180 nK）Lawall J, Kulin S, Saubamea B, et al. Three-dimensional laser cooling of helium beyond the single-photon recoil limit[J]. Physical review letters, 1995, 75(23): 4194.

[3] （C Cohen-Tannoudji, 1997-一維氦原子團(tuán)-5 nK）Saubaméa B, Hijmans T W, Kulin S, et al. Direct measurement of the spatial correlation function of ultracold atoms[J]. Physical review letters, 1997, 79(17): 3146.

[4] 莊偉, 李天初. 激光冷卻和操控原子: 原理與應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2018, 36(5): 28-38.