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manbet手机版教授manbet手机版朱棣文(Steven Chu)manbet手机版美国加州斯坦福大学
manbet手机版教授manbet手机版克劳德Cohen-Tannoudjimanbet手机版， Collège de France和École Normale Supérieure，巴黎，法国，和
manbet手机版博士。manbet手机版威廉·d·菲利普斯manbet手机版，美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所，

manbet手机版开发了用激光冷却和捕获原子的方法。

manbet手机版这些额外的背景材料主要是为物理学家编写的。

manbet手机版Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji和William D. Phillips在激光冷却和俘获领域的工作意味着该领域在理论和实验方面的突破，并导致了对光与物质相互作用的更深入理解。manbet手机版它还导致了原子、分子和光物理学界在全世界范围内的激烈活动，特别是为研究极低温下稀原子蒸汽的量子行为开辟了新的道路。manbet手机版激光冷却和俘获技术应用于基础高分辨光谱学和超冷碰撞的研究。manbet手机版它们还应用于原子钟、原子干涉仪和原子激光的建造，以及原子光学和原子光刻仪器的开发。manbet手机版最近与1997年诺贝尔物理学奖有关的应用是第一次在稀原子气体中观察到玻色-爱因斯坦凝聚和第一个基本原子激光器的发展。

manbet手机版1.manbet手机版历史背景
manbet手机版约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)在试图解释为什么进入太阳系的彗星的尾巴总是指向远离太阳的方向时，早在1619年就提出光可以具有机械效应。manbet手机版詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)分别在1873年和1917年对所谓的“光压”理论做出了重要贡献。manbet手机版爱因斯坦特别指出，原子对光子的吸收和发射改变了原子的线性动量。manbet手机版光子动量起重要作用的第一个过程是康普顿效应，即x射线对电子的散射。manbet手机版1923年，C.T.R.威尔逊在他的云室中首次观测到电子的反冲。manbet手机版1933年，弗里施(O.R. Frisch)对原子反冲进行了第一次实验观察。manbet手机版1966年，P.P.索罗金和F.P. Schäfer发明了可调谐染料激光器，为进一步探索所谓的“光的机械特性”创造了一个杰出的工具。

manbet手机版20世纪70年代，V.S. Letokhov和苏联的其他物理学家，以及美国新泽西州霍尔姆德尔贝尔实验室的A. Ashkin小组，对光子对中性原子的作用进行了重要的早期理论和实验工作。manbet手机版除此之外，他们还建议弯曲和聚焦原子束，并在聚焦的激光束中捕获原子。manbet手机版例如，这项早期工作导致了“光镊子”的发展，它可以操纵活细胞和其他小物体。

manbet手机版1975年，T.W. Hänsch和A.L. Schawlow提出了在反传播激光束中冷却中性原子的第一个建议。manbet手机版与此同时，D.J. Wineland和H.G. Dehmelt提出了一个类似的建议，用于离子阱中的离子。manbet手机版Hänsch和Schawlow提出用成对的反传播激光束来冷却中性原子，这些激光束的失谐略低于原子的共振跃迁。manbet手机版由于多普勒效应将倾向于调整向其中一束激光移动的原子进入共振，这些原子将系统地因吸收来自同一方向的光子而减速，其能量低于共振能量。manbet手机版由于发射方向是随机的，它只导致一个小的各向同性速度分布。manbet手机版因此，向激光移动的原子将失去速度并有效冷却。manbet手机版其他原子，其速度分量与其他激光，将以同样的方式冷却。manbet手机版在理想的两能级原子气体中，人们可以很容易地计算出极限温度，即所谓的多普勒极限，对于钠的共振跃迁来说，它将达到0.24 mK。

manbet手机版在任何冷却和捕获中性原子的尝试中，一个重要的部分是产生一束足够慢的原子，使其在光子-原子相互作用区域停留足够长的时间。manbet手机版1980年前后，人们曾数次尝试用光子来减慢原子束的速度。manbet手机版难点在于，当自由原子变慢时，激光的频率必须跟随多普勒频移共振频率，这种技术由莱托霍夫提出，被称为“频率啁啾”。manbet手机版W.D. Phillips和美国国家标准与技术研究所(NIST, Gaithersburg, USA)的同事们开发了一种方案，在该方案中，原子束沿不同的电磁磁场轴传播，因此多普勒和塞曼位移补偿，共振转变频率是恒定的(“塞曼慢速”)。manbet手机版菲利普斯在1985年使用了这种技术，并能够停止原子束，并将原子困在磁阱中(麻省理工学院的德·e·普里查德于1983年提出的那种)。manbet手机版同样在1985年，J.L.霍尔和他在博尔德的NIST的同事用频率啁啾方法证明了中性原子束的完全停止。

manbet手机版2.manbet手机版光学糖蜜
manbet手机版1984年，S. Chu和他在新泽西州霍尔姆德尔贝尔实验室的同事(其中包括Ashkin和J.E. Bjorkholm)着手实现Hänsch和Schawlow的多普勒冷却方案。manbet手机版他们使用了一束钠原子，首先用频率啁啾预冷激光减慢了这束钠原子的速度。manbet手机版在激光被关闭后，钠原子漂移到六个成对正交的反向传播激光束的交叉点(见图1)。

manbet手机版图1所示。manbet手机版用于多普勒冷却实验的真空室、激光束与原子束交叉示意图。manbet手机版激光束垂直和水平地进入特高压窗口。

manbet手机版1985年，该小组报告称，将稀释蒸汽冷却到10摄氏度左右^{manbet手机版5}manbet手机版体积为0.2厘米的中性钠原子^{manbet手机版3.}manbet手机版温度约为0.2 mK。

manbet手机版原子在交叉区域的运动类似于在假设的粘性介质中的运动，在原始出版物(Phys. 2)中被命名为“光学糖蜜”。manbet手机版Rev. Lett. 55, 48(1985))。manbet手机版由于原子没有被困住，而是在引力场中缓慢下落，冷原子云的寿命是有限的，在最初的实验中是0.1秒。manbet手机版这种效应实际上被用来估计交叉区域原子的温度，通过监测荧光的衰减，因为冷却激光被关闭了一个可变的时间间隔。manbet手机版这一温度测量的结果与钠的理论多普勒极限0.24 mK一致。光学糖蜜实验的进一步发展最终导致原子密度增加到10^{manbet手机版9}manbet手机版每厘米^{manbet手机版3.}manbet手机版观察时间达到1秒。

manbet手机版激光冷却的中性原子在光学糖蜜中移动，要想变得真正有用，就需要一个陷阱。manbet手机版这种陷阱必须比菲利普斯1985年使用的磁阱或莱托霍夫和阿什金提出的聚焦激光束陷阱(1986年由Chu和同事在光学糖蜜实验中实现)更深。manbet手机版1987年，普里查德和朱棣文根据J. Dalibard的建议，开发了后来实验的主力——磁光阱(MOT)。manbet手机版这也使用了三对反向传播的激光束，但现在与圆偏振和弱磁场相结合。

manbet手机版根据J.R. Zacharias和Hänsch的建议，Chu还开发了用于高精度光谱学的原子喷泉。manbet手机版冷却和被捕获的原子在引力场中向上发射，在微波腔内有转折点的轨迹，其中慢原子被连续的两个微波脉冲共振激发。manbet手机版为原子束使用两个激发区域的技术是由N.F.拉姆齐首创的，并被用于最精确的原子钟。manbet手机版今天，这些钟的精度达到了10^{manbet手机版-14年}manbet手机版而一种基于原子喷泉的新设计预计将精度提高100倍。

manbet手机版3.manbet手机版Sub-Doppler冷却
manbet手机版与此同时，NIST的W.D. Phillips和他的团队研究了中性钠原子在光学糖蜜中缓慢移动的冷云。manbet手机版在理论和实验之间的小分歧的推动下，朱棣文也注意到了这一点，他们开发了在不同冷却条件下更精确地测量云的温度的方法。manbet手机版特别是，他们采用了一种技术来确定原子下落的飞行时间，以达到光学糖蜜区域下面的一组探测激光束。manbet手机版1988年初，他们发现原子的温度约为40 μ K，远低于预测的240 μ K (Phys。manbet手机版Rev. Lett. 61,169(1988))。manbet手机版他们还发现，最低温度是在与理论多普勒极限相矛盾的条件下达到的。

manbet手机版图2。manbet手机版飞行时间数据与计算钠原子在两种不同温度下的组合进行比较。manbet手机版阴影区域表示计算中的误差范围。manbet手机版显然，云的温度已经达到40 μ K，比多普勒极限低6倍。

manbet手机版朱棣文(他现在已经搬到斯坦福大学)和C.科恩-坦努吉(C. Cohen-Tannoudji)在巴黎École Normale Supérieure所做的实验很快证实了菲利普斯的发现是真实的。manbet手机版巴黎的j·达利巴德(J. Dalibard)和科恩-坦努德(Cohen-Tannoudji)以及斯坦福的研究小组几乎立即给出了这种差异的解释。manbet手机版多普勒冷却理论和多普勒极限假设一个原子具有简单的两能级能谱。manbet手机版另一方面，真正的钠原子有几个塞曼亚能级，在基态和激发态都有。manbet手机版基态亚能级可以被光泵浦，即激光可以将钠原子转移到不同分布的亚能级群中，并产生新的冷却机制。manbet手机版种群分布的细节取决于激光偏振，它在糖蜜内一个光学波长的距离上迅速变化。manbet手机版因此，新的冷却机制通常被称为极化梯度冷却。manbet手机版菲利普斯最初发现的这种特殊机制被命名为西西弗斯冷却，类似于希腊神话中的人物，他被罚将一块沉重的石头推到山上，但在到达顶峰后，石头却滚了下来，他不得不从头再来。manbet手机版原子总是失去动能，就像上坡运动一样，被激光场光泵回山谷，然后又开始上坡。

manbet手机版1989年访问巴黎期间，菲利普斯在École Normale Supérieure上与该组织合作。manbet手机版他们表明，中性铯原子可以冷却到2.5 μ K。manbet手机版至于多普勒冷却，其他类型的激光冷却似乎也存在一个基本的下限。manbet手机版这个所谓的反冲极限对应于原子云的温度，原子云的移动速度与单个光子的反冲速度相同。manbet手机版钠原子的反冲温度为2.4 μ K，而铯原子的反冲温度低至0.2 μ K。manbet手机版因此，上面引用的实验结果似乎表明，使用极化梯度冷却无序原子云可以达到反冲极限的10倍左右的温度。manbet手机版在最近的一项进展中，人们已经能够将冷却的原子困在所谓的光学晶格中。manbet手机版这种晶格具有与光学波长相同的间距，并且可以通过改变激光束配置来调整。manbet手机版由于原子在晶格位置的冷却比在任意位置的冷却更有效，因此可以达到无序状态下所能达到的温度的一半左右。manbet手机版例如，铯已达到1.1 μ K。

manbet手机版4.manbet手机版Sub-recoil冷却
manbet手机版单光子的反冲能量对多普勒冷却和偏振梯度冷却都有限制的原因是，在这两种冷却方案中都发生了连续的吸收和发射循环过程。manbet手机版每个过程都给原子一个很小但不可忽略的反冲能量。manbet手机版如果几乎静止的原子可以从吸收-发射循环中解脱出来，那么理论上在稀原子蒸汽中就可以达到次反冲极限温度。manbet手机版早在20世纪70年代，比萨大学就发现了一种机制，在这种机制中，强激光场中的原子可以被光泵入一种非吸收相干叠加态，即所谓的暗态。manbet手机版C. Cohen-Tannoudji与巴黎École Normale Supérieure的几位同事，其中包括E. Arimondo(来自Pisa)和a . Aspect，在一系列实验中展示了如何利用多普勒效应来确保只有最冷的原子最终进入暗态。manbet手机版这种所谓的速度选择性相干种群捕获(VSCPT)方法首次应用于1988年的一维(Phys。manbet手机版Rev. Lett. 61,826(1988))， 1994年在二维(物理。manbet手机版Rev. Lett. 73,1915(1994))和1995年在三维(物理。manbet手机版Rev. Lett. 75,4194(1995))。

manbet手机版所有三个实验都使用了亚稳态激发的氦原子He(1s2s^{manbet手机版3.}manbet手机版S)，其多普勒极限为23 μ K，而反冲极限为4 μ K。manbet手机版早在1988年，Cohen-Tannoudji和他的同事就使用了两束反向传播的激光束，可以在一维上显示冷却到2 μ K的温度，比反冲极限低了两倍。manbet手机版该实验在20世纪90年代初发展到二维冷却。manbet手机版1994年，Cohen-Tannoudji和Aspect以及另一组新的同事一起，使用两对相互正交和反向传播的激光束，可以在二维空间中显示冷却到250 nK，大约比反冲极限温度低16倍。manbet手机版最后，在1995年，该实验被发展到包括三组激光束和三维冷却。manbet手机版最低温度现在达到180 nK，比后坐力极限低22倍(见图3)。尽管有其他团队参与了次后坐力冷却的开发，尤其是Chu和合作者，但Cohen-Tannoudji的工作开辟了次后坐力激光冷却的新领域。

manbet手机版图3。manbet手机版三维次反冲冷却中原子速度分布的剖面。manbet手机版单光子反冲速度为9.2 cm/s，而冷却原子的扩散约为2 cm/s。

manbet手机版5.manbet手机版应用程序
manbet手机版近十年来，中性原子的激光冷却和俘获研究取得了巨大的进展。manbet手机版这三位诺贝尔奖得主和他们的合作者与许多其他科学家一起，为物理学的许多子领域的令人兴奋的发展奠定了基础。manbet手机版将被困原子的稀蒸汽冷却到迄今为止只有凝聚态系统的孤立部分才能达到的温度的方法的发展，使人们有可能建造用于精确计时的原子钟，例如用于空间导航和太阳系探索。manbet手机版激光冷却的另一个应用是开发原子干涉仪，其中慢原子的德布罗意波长用于超高精度的干涉测量，例如重力加速度。manbet手机版精密的原子光学仪器也为原子光刻开辟了道路。manbet手机版原子束可用于在表面上形成纳米结构，例如用于电子元件。manbet手机版最近在稀原子气体中观察到玻色-爱因斯坦凝聚，也与这篇短背景材料中描述的激光冷却和俘获的开创性工作有关。