把原子藏起来？这大胆的想法成功刷新原子低温纪录

火星财经 • 2024年9月10日下午8:16 • 观察 • 阅读 74

随着原子所能冷却的温度不断降低，物理学家们已经突破了多普勒冷却极限，并且逐步逼近亚多普勒冷却极限。

要想进一步冷却原子，还要克服更多的问题。比如，原子与激光光束之间的散射相互作用，以及自发辐射过程中光子的反冲效应，均有可能会导致原子处于随机行走状态，让原子很难彻底安静下来。

也就是说，这些好不容易冷却到近乎静止状态的原子，会在光子的反冲作用下再次加热，从而达到激光冷却-反冲加热之间的动态热平衡。

那么，难道说原子所能达到的最低温度只能是亚多普勒冷却极限吗？

01一个大胆的想法：把原子藏起来

当然不是，物理学家们提出了一个大胆的想法：为何不将这些好不容易冷却下来的原子直接藏起来，从而避免与激光光束再次发生散射相互作用？这样一来，原子就有机会真正地冷静下来，而不会被光子的反冲作用再次加热了。

为了验证这个大胆的想法，物理学家们提出了速度选择的相干布局囚禁（Velocity Selective Coherent Population Trapping, VSCPT）这种颇具创意的实验方案。借助这种实验方案，物理学家们就可以让速度几乎为零的原子进入暗态，从而避免原子与激光光束发生散射相互作用，并且最终突破了亚多普勒冷却极限！

02 将原子藏在哪里？藏在暗态里

顾名思义，这里的暗态就是指原子处于某一个无法与激光相互作用的特定基态。为了帮助各位读者更好地理解原子是如何转移到‘暗态’的这一过程，我们考虑一个最简单的

型三能级原子模型：

图3三能级原子进行特定跃迁的示意图

图4 三能级原子进行自发辐射的示意图

图5 三能级原子最终转移到暗态的示意图

03 刷新原子的低温纪录——突破亚多普勒冷却极限！

俗话说，只有想不到，没有做不到。

为了验证上述这种大胆想法，法国巴黎高等师范学院的克洛德科昂搭努吉研究小组在1988年提出了一种名为速度选择性的相干布局囚禁的实验方案，并且成功将氦原子（4He）进一步冷却到大约2微开尔文（即10-6 K）的超低温度。

作为对比，氦原子的多普勒冷却极限为23 微开尔文，而理论上氦原子的亚多普勒冷却极限约为4微开尔文。也就是说，该研究小组刷新了当时氦原子冷却的低温纪录，这标志着物理学家们在实验上突破了亚多普勒冷却极限。

也许会有读者在思考，上述的速度选择性的相干布局囚禁实验方案，如何体现出所谓的速度选择性呢？

图7 处于静止状态的氦原子跃迁示意图

图8 处于运动状态的氦原子跃迁示意图

在理论上，只要选择精确地调节两束激光的频率等参数，就可以将原子冷却到平均速度很小的运动状态。随着原子与激光的相互作用时间的延长，原子就有可能不断地降低温度直至绝对零度。

04 众望所归的荣誉——1997年诺贝尔物理学奖

对于执着探索低温极限的物理学家们而言，并不满足只将原子冷却到μK量级。他们希望将原子的低温极限进一步推到nK（纳开，即10-9 K ）量级，从而进一步刷新原子冷却的低温记录。

于是在1995年，C Cohen-Tannoudji研究小组再次利用速度选择性的相干布局囚禁实验方案，首次成功将氦原子团的三维运动方向上的温度冷却至大约180 nK。随后在1997年，该研究小组又提出了一种全新的温度测量方案，能够直接地测量经过冷却后的氦原子温度。测量结果表明，采用速度选择性的相干布局囚禁方案冷却后的氦原子，其最低温度为大约5 nK。

正是凭借着探索原子冷却极限的突出贡献，法国物理学家C Cohen-Tannoudji也在1997年获得了诺贝尔物理学奖，并且获得了当年诺贝尔物理学奖1/3的奖金。