相信在前文《你沒看錯！激光真的可以冷卻粒子！》中，大家已經(jīng)知曉了原子的減速過程是原子和光子相互作用的結(jié)果。在這個減速過程中，原子首先會吸收迎面而來的光子，并且因為碰撞作用而減速；隨后，原子便會發(fā)射一個全新的光子，這就是所謂的“受激輻射”過程。

原子在受激輻射中“吸收”和“發(fā)射”光子的示意圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

此外，物理學家們也對三維空間中的原子團，在6個方向同時施加激光光束，從而實現(xiàn)原子團的冷卻和囚禁過程。然而，此時的原子仍然處于隨機行走的狀態(tài)，而無法真正的靜止下來。因此，理論上原子所能冷卻到的最終溫度取決于多普勒冷卻與隨機加熱之間的平衡，也就是“多普勒冷卻極限”（通常在幾百個uK量級）。

其實，上述的幾百個uK已經(jīng)是非常低的溫度了，如果換算成我們生活中熟悉的攝氏溫度，相當于不到-273.149 °C（即絕對零度以上不到0.001 K）。然而，就在當時大多數(shù)的物理學家認為已經(jīng)達到了原子的極限低溫時，一個意外的發(fā)現(xiàn)卻再次刷新了他們對原子的認識！

01 創(chuàng)造歷史的意外發(fā)現(xiàn)：竟然輕松突破了“多普勒冷卻極限”？

1987年，美國國家標準和技術(shù)研究所（NIST）的威廉·菲利普斯研究小組在對鈉原子團施加“多普勒冷卻”方案時，意外地觀察到鈉原子團竟然被冷卻到的超低溫度。

起初，威廉·菲利普斯小組以為只是實驗上的失誤導致鈉原子團的溫度測量出現(xiàn)了偏差。隨后，他們采用三種不同的測量方式來驗證實驗結(jié)果，卻驚訝地發(fā)現(xiàn)經(jīng)過冷卻后的鈉原子團溫度確實低于理論上的“多普勒冷卻極限”。這個意外的實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過其他同行的嚴格評議后，次年發(fā)表在物理學國際頂尖期刊《Physical Review Letters》上。

得益于這次意外的發(fā)現(xiàn)，物理學家們敏銳地意識到原先的多普勒冷卻理論已經(jīng)不足以解釋這種新奇的實驗現(xiàn)象。于是，在1988年至1989年期間，斯坦福大學的朱棣文小組和法國巴黎高等師范學院的科昂·塔努吉小組分別獨立地對這一全新現(xiàn)象進行了全面分析。他們在理論上充分考慮了原子內(nèi)部更加精細的能級結(jié)構(gòu)、激光光束的光學偏振性質(zhì)等因素，最終成功解釋了這種突破“多普勒冷卻極限”的奇異現(xiàn)象。

于是，物理學家們開始不斷優(yōu)化實驗參數(shù)，嘗試進一步降低原子團的冷卻溫度。在1989年，朱棣文小組將鈉原子團的冷卻溫度進一步降低至15 uK -30 uK的范圍。同年，來自美國國家標準和技術(shù)研究所的克里斯托夫·韋斯特布魯克研究小組也在實驗上成功將鈉原子團的溫度降低至大約20 uK。隨后在1990年，法國物理學家克萊龍和格拉蒂等人將冷卻的對象從鈉（Na）原子轉(zhuǎn)變成全新的銫（Cs）原子系統(tǒng)，并且對銫原子團成功實現(xiàn)了的超級低溫。

那么，原子系統(tǒng)中究竟又蘊藏了怎樣的秘密，才能吸引無數(shù)的物理學家來不斷地深入探究其冷卻原理，并且一次又一次地刷新物理學家們對于原子的已有認知呢？

02 “意外發(fā)現(xiàn)”的背后——原來是小看了熟悉的原子！

其實，在之前討論原子的受激輻射過程時，我們只考慮了原子內(nèi)部的基態(tài)和激發(fā)態(tài)這兩種能級之間的躍遷，這是一種最簡單的二能級系統(tǒng)的原子模型。通常情況下，處于基態(tài)的原子吸收撞擊的光子后，會發(fā)生“基態(tài)→激發(fā)態(tài)”的原子躍遷過程。隨后，原子會再次經(jīng)歷“激發(fā)態(tài)→基態(tài)”的反向過程，從而完成一次完整的受激輻射循環(huán)。

原子的“受激輻射循環(huán)”示意圖（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

然而，真實的原子結(jié)構(gòu)并非是簡單的二能級系統(tǒng)。通常情況下，原子的基態(tài)具有多個能量接近的子能級，這種結(jié)構(gòu)被稱為“超精細能級結(jié)構(gòu)（Hyperfine Structure）”。此外，每種原子的內(nèi)部還存在著自身獨特且復雜的能級結(jié)構(gòu)，從而進一步增加了驅(qū)動原子完成每一次受激輻射循環(huán)的實驗難度。因此，如果不仔細考慮原子內(nèi)部的超精細結(jié)構(gòu)，原子就有一定的概率掉落到無法再次循環(huán)的基態(tài)子能級中，而這種令人頭疼的基態(tài)子能級也被稱為“暗態(tài)”。

為了讓原子的受激輻射循環(huán)不要因為“暗態(tài)”的阻礙而“罷工”，物理學家們不得不在激光光束中施加額外的偏振調(diào)制。這樣一來，原子就能夠完成“暗態(tài)→激發(fā)態(tài)”的共振躍遷過程，從而恢復到受激輻射的循環(huán)中，并不斷被激光光束所冷卻。得益于這種技術(shù)的成功應用，原子的冷卻溫度能夠突破“多普勒冷卻極限”，并且極大地推動了原子冷卻技術(shù)的發(fā)展，因此也被稱為“亞多普勒冷卻”方案。

讀到這里，可能會有讀者已經(jīng)開始困惑了，這里的激光偏振調(diào)制又是什么？不過沒關(guān)系，我們接下來舉一個例子來方便各位讀者理解上述的“亞多普勒冷卻”的過程。

03 原子的亞多普勒冷卻——痛苦的“西西弗斯”循環(huán)

處于“西西弗斯”冷卻循環(huán)中的原子示意圖

（圖片來源：NobelPrize.org.）

因此，物理學家們只需要在空間中精確地調(diào)制好激光光束的偏振狀態(tài)等參數(shù)，就可以讓這個銣原子在一次又一次的循環(huán)中不斷地耗散自身的能量。在物理學家們看來，這個銣原子仿佛是希臘神話中每日重新推著巨石到山頂?shù)奈魑鞲ニ挂粯?，也只能不知疲倦地不斷重復這一減速過程。因此，這種利用激光光束的偏振梯度來不斷冷卻原子的亞多普勒冷卻方案，也被形象地稱為“西西弗斯（Sisyphus）冷卻”。

結(jié)語：逼近光子反沖的冷卻極限

經(jīng)過上述的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，原子經(jīng)歷過“西西弗斯冷卻”的不斷循環(huán)后，仍然會受到自發(fā)輻射過程中光子的反沖作用力。只是相較于單純的多普勒冷卻而言，原子會更加高效地完成受激輻射的冷卻循環(huán)過程。

通常而言，原子經(jīng)過“西西弗斯冷卻”后的平均溫度，會比多普勒冷卻的溫度極限低10~100倍。也就是說，原子的“西西弗斯冷卻”極限溫度大約為幾個uK的量級，這相當于絕對零度以上不到0.00001K。雖然原子還沒有達到絕對零度的完全靜止狀態(tài)，但是如此低的溫度已經(jīng)滿足早期大多數(shù)的原子物理實驗需求。

然而，喜歡較真的物理學家們心中有一個執(zhí)著的信念，那就是希望再次突破光子反沖作用導致的冷卻極限，從而將原子的冷卻溫度降至新低。

作者：欒春陽 清華大學物理系博士

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司

參考文獻

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