朱棣文，Claude Cohen-Tannoudji 以及William D. Phillips在激光冷卻捕獲的工作成果（methods to cool and trap atoms with laser light.）給該領域的理論和實驗研究帶來了重大突破，并且加深了對光與物質相互作用的理解。這項研究還在世界范圍掀起了對于原子、分子和光學物理領域的討論熱潮，特別是為研究極低溫下稀原子蒸氣的量子行為開辟了新的道路。

激光冷卻及捕獲原子的技術被應用于基礎的高分辨率光譜學（fundamental high resolution spectroscopy）和超低溫碰撞（ultracold collisions）的研究，還可以應用于原子鐘、原子干涉儀、原子激光器的制造。與1997年諾貝爾物理學獎有關的最新應用是首次觀察到稀原子氣體中的玻色-愛因斯坦凝聚，以及第一臺原子激光器的初步開發。

1. 歷史背景

開普勒在試圖向人們解釋為什么彗星在進入太陽系時它的尾部總是指向背離太陽的方向，早在1619年他就提出光是有力學作用的。麥克斯韋和愛因斯坦分別在1873年和1917年對所謂的“光壓強”（light pressure）理論做出了重要貢獻。愛因斯坦特別指出，原子吸收或放出光子會改變自身的線性動量。

光子動量發揮重要作用的第一個實驗是康普頓效應，也就是X光對電子的散射。1923年，威爾遜首次在他的云室中觀測到了反沖電子。1933年，O.R. Frisch首次對反沖電子進行了實驗觀測。1966年，P.P.Sorokin和F.P.Sch?fer發明了可調諧染料激光器（tunable dye laser），為進一步探索所謂的“光的力學性質”創造了一個杰出的工具（the mechanical properties of light had been created.）。

20世紀70年代，蘇聯的V.S. Letokhov等物理學家以及美國貝爾實驗室（位于Holmdel NJ）的A. Ashkin團隊在光子對中性原子的作用基礎上做出了重要的理論和實驗成果。他們提出的方法之一是彎曲并聚焦原子束，并在聚焦的激光束中捕獲原子。這項工作還促進了早期“光鑷”（optical tweezers）技術的發展，它可以用來操控活細胞以及其他微小物體。

T.W. H?nsch 和 A.L. Schawlow 在1975年首次提出了冷卻反向傳播激光束中的中性原子。與此同時，D.J. Wineland 和 H.G. Dehmelt也提出了一種類似的方法，用于離子阱中的離子。H?nsch和Schawlow提出用兩束失諧到略低于原子共振躍遷頻率的反向傳播的激光束來冷卻中性原子。

由于多普勒效應會使向其中一束激光束運動的原子產生共振，這些原子將被來自同一方向且能量低于共振能量的光子吸收而系統地減速。由于發射發生在隨機方向，因此它只導致較小的各向同性速度分布。因此，向激光器運動的原子將失去速度并有效地得到冷卻。速度分量朝向其他激光器的原子也會以相同的方式冷卻。在理想的二能級原子氣體中，可以很容易地計算出極限溫度，即所謂的多普勒極限（Doppler limit），對于鈉的共振躍遷，該極限溫度為0.24mK。

在冷卻并捕獲中性原子中一個重要的步驟是產生一束足夠慢的原子束，使它能在光子-原子相互作用區域內停留足夠長的時間。1980年左右人們曾多次嘗試用光子來減慢原子束的速度，而困難在于，隨著自由原子速度的減慢，激光的頻率必須符合多普勒頻移后的共振頻率，這是由Letokhov提出的，被稱為“frequency chirping”。

相反， NIST（National Institute of Standards andTechnology，Gaithersburg， USA）的W.D. Phillips和他的同事提出了一種方案，其中原子束沿著變化的螺線管磁場的軸傳播，以便多普勒和塞曼位移（ Zeeman shifts）進行補償，使共振躍遷頻率恒定（Zeeman slower）。

Phillips在1985年使用了這項技術，能夠阻止原子束并將原子限制在磁阱中（1983年由麻省理工學院的D.E. Pritchard提出）。同樣在1985年，J.L.Hall及其同事在的NIST（Boulder，USA）演示了通過frequency chirping完全停止中性原子束。

2. 光學粘膠

1984年，朱棣文和他在貝爾實驗室的同事（其中包括Ashkin和J.E. Bjorkholm）開始著手實現H?nsch和Schawlow的多普勒冷卻方案。他們使用一束鈉原子束，首先經過frequency-chirped激光預冷減速。關閉激光后，鈉原子會移動到六束兩兩成對的正交反向傳播激光束的交叉點（圖1）。



圖1.用于多普勒冷卻實驗的真空室、交叉激光束和原子束示意圖。激光束垂直及水平進入超高壓窗口 1985年，他們的團隊報道了將在0.2cm3中有個10^5個鈉原子的稀蒸氣冷卻到約0.2mK的溫度。

交叉區域中原子的運動類似于粘性介質中的運動，在最初發表時(Phys. Rev. Lett. 55, 48 (1985))被命名為“光學黏團（optical molasses）”。由于原子沒有被捕獲，而是在重力場中緩慢下落，因此冷原子云的壽命是有限的，在最初的實驗中為0.1s。這種效應實際上可以在冷卻激光在可變的時間間隔內關閉時通過監測熒光的衰減來估測算交叉區域中原子的溫度。該溫度測量結果與鈉的理論多普勒極限0.24 mK一致。光學黏團實驗的進一步發展最終使原子密度增加至10^5/cm3，觀察時間增加到了1秒。

為了使在光學黏團中移動的激光冷卻中性原子變得真正有用，需要一個光學陷阱。這個陷阱必須比1985年菲利普斯使用的磁阱或由Letokhov和 Ashkin提出的，在1986年由朱棣文及其同事在光學黏團實驗中實現的聚焦激光束陷阱更深。1987年，Pritchard和朱棣文聽從J.Dalibard的建議，開發了后來的主要實驗方法，磁光阱（MOT）。它仍然使用三對反向傳播的激光束，但是光具有圓偏振態，并與弱磁場相結合。

根據J.R.Zacharias和H?nsch的建議，朱棣文還開發了一種用于高精度光譜學的原子噴泉。被冷卻和捕獲的原子在引力場中向上發射，在微波腔中，慢原子被連續的兩個微波脈沖共振激發，其軌跡有轉折點。對原子束用兩個激發區域的技術由N.F. Ramsey引領，并應用在最精確的原子鐘上。目前這些時鐘的精度是，而基于原子噴泉的新設計預計將使精度提升到原來的100倍。

3. 亞多普勒冷卻

與此同時，W.D.Phillips和他在NIST的團隊研究了在光學黏團中緩慢移動的中性鈉原子冷云。由于理論和實驗之間存在一些小的分歧，朱棣文也注意到了這一點，他們開發了更精確地測量不同冷卻條件下云層溫度的方法。特別是，他們采用了一種技術來確定下落原子到達光學黏團區域下方的一組探測激光束的運動時間。1988年初，他們發現原子的溫度約為40μK，遠低于預測的多普勒極限240μK（Phys.Rev.Lett.61169（1988））。他們還發現，最低溫度是在完全不符合理論多普勒極限的情況下達到的。

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圖2.將運動時間數據與兩種不同溫度下鈉原子組合方式的計算進行比較。陰影區域表示計算中的誤差范圍。顯然，云的溫度已達到40μK，是多普勒極限的六分之一。

朱棣文和C.Cohen Tannoudji在巴黎高等師范學院的實驗很快證實了Philips的發現是真實的。巴黎的J.Dalibard和Cohen Tannoudji以及斯坦福團隊立即對這種差異做出了解釋。多普勒冷卻和多普勒極限理論假設原子具有簡單的二能級能譜，而真實的鈉原子在基態和激發態都有幾個塞曼子能級。

基態子能級可以被光泵浦，即激光可以將鈉原子轉移到不同的子能級分布中，并產生新的冷卻機制。數量分布具體取決于激光偏振，這種偏振在光學黏團內一個光波長的距離上快速變化。因此，新的冷卻機制被稱為極化梯度冷卻（polarization gradient cooling）。

Philips最初發現的特殊機制被命名為Sisyphus （西西弗斯）cooling，與希臘神話中的人物類似，他被判處推一塊沉重的石頭上山，但每當到達頂峰后卻發現石頭滾了下來，于是不得不重新開始。原子總是在失去動能，就像在上坡運動一樣，再被激光場光泵送回山谷，然后再次上坡，循環往復。

在1989年訪問巴黎期間，Philips與巴黎高等師范學院的團隊進行了合作。他們表明中性銫原子可以冷卻到2.5μK。而對于多普勒冷卻來說，其他一些類型的激光冷卻也都存在一個基本的溫度下限。這個所謂的反沖極限對應著以相當于單個光子的反沖速度運動的原子云的溫度。

對于鈉原子，反沖溫度為2.4μK，而對于銫原子，反沖溫度低至0.2μK。因此，上面引用的實驗結果表明通過對無序原子云進行極化梯度冷卻，可以達到大約十倍于反沖極限的溫度。最近一項研究成果表明，人們已經能夠在所謂的光學晶格（optical lattice）中捕獲冷卻的原子。

這種晶格具有光學波長量級的間距，并且間距大小可以通過改變激光束的配置來調整。由于原子在晶格格位比在其他的位置能更有效地得到冷卻，因此可以達到無序狀態下溫度的一半左右。比方說銫已經能夠達到1.1μK。

4. 亞反沖冷卻

在多普勒冷卻和偏振梯度冷卻中，單光子的反沖的能量都有限制的原因是，在這兩種冷卻方法中都有一個連續循環的吸收和發射過程。每一個過程都會給原子一個很小但不可忽略的反沖能量。如果幾乎靜止的原子可以免于吸收-發射循環，理論上在稀原子蒸氣中可以達到次反沖極限溫度。早在20世紀70年代，比薩大學就發現了這樣一種機制，強激光場中的原子可以被光泵入非吸收相干疊加態，即所謂的暗態（dark state）。

C.Cohen Tannoudji與巴黎高等師范學院的幾位同事，其中包括E.Arimondo（來自比薩）和A.Aspect，在一系列實驗中展示了如何利用多普勒效應確保只有最冷的原子最終處于暗態。這種被稱為“速度選擇相干布居數囚禁”（velocity selective coherent population trapping -VSCPT）的方法首次應用于1988年的一維（Phys.Rev.Lett.61826（1988）），1994年的二維（Phys.Rev.Letter.731915（1994）），1995年的三維（Phys-Rev.Lett754194（1995））冷卻當中。

所有三個實驗都使用亞穩態激發的氦原子He，其多普勒極限為23μK，反沖極限為4μK。早在1988年，Cohen Tannoudji及他的同事就使用了兩束反向傳播的激光束，一維冷卻到2μK的溫度，比反沖極限低一半。該實驗在20世紀90年代初發展到二維冷卻。

1994年，Cohen Tannoudji與Aspect和一組新的同事一起，使用兩對相互正交且反向傳播的激光束，二維冷卻到250nK，大約比反沖極限溫度低16倍。最后，在1995年，該實驗發展到了有三組激光束，并達到了三維冷卻。最低溫度現在變成了180nK，比反沖極限低22倍（圖3）。盡管其他團體也參與了次反沖冷卻的開發，尤其是朱棣文及其合作者，但Cohen Tannoudji的工作可以說是開辟了次反推激光冷卻的新領域。



圖3.三維次反沖冷卻中原子速度分布的剖面圖。單光子反沖速度為9.2cm/s，而冷卻原子的擴散速度約為2cm/s。

5. 應用

在過去的幾十年間，激光冷卻與捕獲中性原子領域得到了巨大進展。三位諾貝爾獎獲得者及其合作者與許多其他科學家共同為物理學多個分支領域的重要發展奠定了基礎。將被捕獲原子的稀蒸氣冷卻到迄今為止僅在凝聚態物質系統的孤立部分中才能達到的溫度的方法的發展，使得建造用于精確計時的原子鐘成為可能，例如與空間導航和太陽系探索有關的原子鐘。

激光冷卻的另一個應用是原子干涉儀的開發，其中慢原子的德布羅意波長用于超高精度的干涉測量，例如重力加速度。原子光學的精密儀器也為原子光刻開辟了道路。原子束可用于在表面上形成納米結構，例如電子元件。最近在稀原子氣體中觀察到的玻色-愛因斯坦凝聚也與這篇文章中描述的激光冷卻和捕獲方面的開創性工作有關。

審核編輯：劉清