【科讯】1997年诺贝尔物理学奖获得者朱棣文、塔诺季和菲利普斯

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奖: 1997年诺贝尔物理学奖

获奖者:朱钧文，克劳德·科恩塔诺季，菲利普斯

成果:表彰他们在迅速发展用激光冷却和捕获原子的方法方面的贡献

概要:

1997年诺贝尔物理学奖由美国加利福尼亚州斯坦福大学的朱6月号( stephen chu，1948-)、法国巴黎法国学院和高等师范学院的科恩塔诺季( claude cohen-tannoudji，1933—)、美国

激光冷却和陷阱原子的研究是现代物理学的热点课题，十多年来成果层出不穷，前景振奋人心，形成了分子和原子物理学的重要突破口。

操作和控制各个原子是物理学家追求的目标。 固体和液体中的原子处于密集的状态，分子和原子相互接近，连接难以被切断，气体分子和原子不断进行随机运动，即使在室温下空气中的原子分子的速度也达到数百m/s。 在这种急速运动的状态下，即使机器直接注意，也会很快从视野中消失。 这是因为研究很困难。 你可以降低那个温度，减少那些速度。 但是问题是，气体冷却时，首先收集到液体中，然后冻结成固体。 如果在真空中冷冻，其密度会保持足够低，不会发生凝聚和冻结。 但是，即使低至-270℃，分子原子的速度也以一定的规则分布，因此有达到数十m/s的分子原子。 接近绝对零度(-273℃以下)时速度大幅下降。 温度低至10-6k，即1微开(μk )时，预计自由氢原子以低于25cm/s的速度运动。 但是，怎样才能达到这样的低温呢？

朱六月文、科恩-塔诺季、菲利普斯和许多其他物理学家开发了使用激光将气体冷却到很小的温度范围的各种方法，使被冷却的原子悬浮或逮捕在各种类型的“原子陷阱”中。 在这里，各个原子以极高的精度被研究，它们的内部结构变得明确。 同样的体积截留更多的原子就构成了稀薄的气体，可以详细研究其特征。 这几位诺奖获得者创造的这些新的研究方法为扩大我们关于放射线和物质之间相互作用的知识做出了重要贡献。 特别是，他们开辟了更深入了解气体在低温下的量子物理行为的途径。 这些做法可能被用于设计的新原子钟，其精度比现在最准确的原子钟(精度达到百万分之一)高百倍，被应用于航天和精密。 原子干涉仪和原子激光器的研究也开始了。 原子干涉仪可以用来极其精确地测量重力，但原子激光器将来可能会被用于制造非常小的电子器件。 聚焦激光束使原子束弯曲、聚焦，带来了“光学镊子”的迅速发展，光子镊子可用于操作活细胞和其他微小物体。 我发现从1988年到—1995年，一维、二维甚至三维沃尔沃·爱因斯坦聚集在稀薄的原子气体中。 这一切都是从人们可以用激光控制原子开始的。 那么，让我们简单回顾一下历史。 另外，简单说明激光为什么能冷却原子。

1历史回顾

1619年，开普勒试图解释彗星进入太阳系彗尾总是背太阳的原因时，他提出光可能有机械效应。 麦克斯韦在1873年，爱因斯坦在1917年对所谓的“光压”理论作出了重要贡献。 特别是爱因斯坦说明了原子吸收光子发射时，其动量会发生变化。 在光子动量参与的过程中康普顿效应，即x射线被电子散射。 最先注意到踢球电子的是1923年c.t.r .威尔逊在云室做的。 第一次实验中发现踢球原子的是弗里胥先生( 1933年)。 1966年索罗金( p.sorokin )等人发明的可调染料激光器为进一步研究“光的机械特征”提供了良好的手段。

20世纪70年代有列特霍夫( v.s.letokhov )、其他苏联物理学家和美国霍尔德( holmdel )贝尔研究所的阿斯金( a.ashkin )。 小组物理学家在理论上和实验上都在光子和中性原子的相互作用中做了重要的初期工作。 其中之一是提出用聚焦激光束弯曲原子束使其聚焦，捕获原子。 他们的事业带来了“光学镊子”的迅速发展，光学镊子可以用来操作活细胞和其他微小物体。

汉胥( t.w.hānsch )和肖洛( a.l.schawlow )于1975年首先提出用相对传递的激光束冷却中性原子。 另外，外焊盘( d.j.wineland )和演示( h.g.dehmelt )也对离子阱中的离子提出了同样的提案。 汉斯肖洛是通过将激光束调谐到比原子的共振跃迁频率稍低的频率，可以利用多普勒原理冷却中性原子。

2激光为什么能使原子减速？

光可以看作粒子的流动，这个粒子叫光子。 光子通常没有质量。 但是有一定的运动量。 光子撞击原子时，其动量可以转移到其原子。 这是光子需要正好的能量，或者说，光需要正好的频率或颜色。 这是因为光子的能量与光的频率成比例，光的频率决定光的颜色。 因为构成这种红光的光子比构成蓝光的光子的能量低。 什么决定了光子作用于原子需要多少能量？？ 原子的内部结构(能级)。 原子处于一定的能级状态，能级迁移是原子吸收和释放光子的过程。 原子的能级是一定的，光子的吸收和释放的频率也是一定的。 当来自正面的激光照射正在进行的原子时，如果激光的频率和原子的固有频率一致，就会发生原子的迁移，原子吸收来自正面的光子，减少运动量。 另外，原子通过迁移发射相同的光子，因为其发射的光子朝向四面八方，所以实际的效果在原子的动量每次碰撞时减少到最低值。 运动量与速度成正比，运动量越小速度也越小。 因为这种激光冷却实际上是通过激光使原子减速。

但是，实际上原子束以一定的速度前进。 来自正面的激光从原子来看“看”，频率似乎在增大。 就像在高速行驶的列车上听到迎面而来的汽车喇叭一样，感觉车呼啸而过，和平与往常大不相同。 这就是多普勒效应。 也就是说，对乘坐列车的注意者来说，汽车喇叭的频率增加了。 运动中的原子和来自正面的激光也有同样的效果。 因此，只要适当降低激光的频率使之适合运动中的原子的固有频率，就可以使原子迁移，吸收光子发射，使原子减速。 因为这种冷却的做法叫多普勒冷却。 理论上，多普勒冷却对钠原子的极限值预计为240μk。 激光可以冷却各种原子降低到百万级的极低温度。 这就是20世纪70年代到80年代物理学家发生的事件。

1985年朱6月的文和同事在美国新泽西州霍尔德尔( holmdel )的贝尔研究所又用了两个相对，用沿着三个正交方向的六个激光使原子减速。 他们用来自正面的激光束阻挡真空中的钠原子后，把钠原子引入了六条激光的交叉点。 这六束激光都比静止钠原子吸收的特征色略微红移。 其效果是，无论钠原子向哪里运动，都会遇到具有适当能量的光子，被推回到六个激光相交的区域。 在这个小区域，冷却的原子大量凝结，肉眼形成了豌豆般大小的发光气团。 由六条激光组成的阻尼机构就像粘稠的液体，原子被捕获时速度会下降。 大家给这个机制起了个外号叫“光学粘胶”。

上述实验中原子只是被冷却了，没有被捕获。 重力会在一秒钟内从光学粘合剂上落下。 为了真正捕获原子，需要陷阱。 1987年制造了一个比较有效的陷阱，称为磁光陷阱。 如上所述，排列了6条激光，加上2个磁线圈，赋予略微变化的磁场，其最小值在激光相交的区域。 磁场作用于原子的特征能级(这种作用称为塞曼效应)，因此产生比重较大的力，将原子拉回陷阱中心。 这时原子虽然没有真正被捕捉到，但被激光和磁场限制在很小的范围内，可以在实验中研究和利用。

朱六月和他的小组在激光冷却和陷阱原子技术方面取得了突破性的进展，引起了物理学界的关注。 跟着他们很多科学小组很快就超过了他们，但他们开始的激光减速做法和光学粘胶的工作一直是其他成果的基础。 他们自己也没有停下来，继续着新的努力。

例如，原子喷泉(图97-1 )是重要的实验。 朱6月的小组根据扎查里亚斯( j.r.zacharias )和汉斯的提案，将几种新方法结合起来，制作了一种能够非常高精度地测量原子光谱特性的装置。 他们把被高度冷却捕获的原子非常缓慢地向上喷出，在重力场中做放射体运动，到达顶点后原子的正利益在微波室内，在重力场的作用下开始落下。 这时，用离开一定时间的两个微波放射脉冲检测这些原子。 当微波脉冲的频率被正确调谐时，这两个连续的微波脉冲将原子从一种量化状态转换为另一种量化状态。 这种做法是朱鹭文组测量过原子两个量子状态之间的能量差，最初实验的分辨率达到了1000亿分之二。

使用原子喷泉可以极其准确地测量原子的能级。 因为有可能在此基础上建立最准确的原子钟。 现在试制这块原子钟的科学集团有十多个。

然后菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。 他们受到理论和实验之间微小的不一致的激励，创造了准确测量不同冷却条件下云团温度的各种方法。 他们用一种技术测量了原子从光学粘合剂领域落到探针激光束上的飞行时间。 1988年初，他们发现原子温度约为40μk，比预期的多普勒极限240μk低得多。 他们还发现最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。

朱六月的文转到斯坦福大学，他拥有的几个研究小组和科恩塔诺在巴黎高等师范学院小组进行的实验不久就证明了菲利普斯的发现是真实的。 斯坦福大学的小组和巴黎的小组几乎很快就解释了这个理论和实验的区别。 原来多普勒冷却和多普勒极限的理论假设原子具有简单的二能级光谱。 但是，实际的钠原子不仅在基态也在激发态，具有几个塞曼能级。 基态能级可以用光泵激发。 也就是说，激光可以使钠原子按子能级分布，从而引起新的冷却机制。 该分布的详细情况取决于激光的偏振状态，在光学粘胶中，偏振状态在光学波长水平的距离上迅速变化。 因此，人们给这个新的冷却机构取名为“偏振梯度冷却”。 菲利普斯最初发现的特殊机制被称为“希苏伐斯冷却”。 希苏伐斯是希腊神话的角色，他被宣布将重石推上斜坡。 沉重的石头被推到斜坡的顶部时，又下山的话，只能从头开始。 原子总是失去动能，像爬山一样，通过激光场被光激发到山谷中，这样反复，反复，被冷却后温度下降。 低于多普勒极限的过程称为子多普勒冷却。

1989年菲利普斯访问巴黎，与高等师范学院的小组合作，共同说明了中性铯原子可以冷却到2.5μk。 他们发现和多普勒冷却一样，其他类型的激光冷却也有限度。 相当于以从一个光子反弹得到的速度运动的原子块的温度称为踢球极限。 钠原子的情况下，反跳极限温度为2.4μk，铯原子低至0.2μk。 上述实验结果显示，在偏振梯度冷却中随机的一组原子云可能达到反冲极限的10倍的温度。 在最近的迅速发展中，被冷却的原子被逮捕到了所谓的光格架的地方。 这样的网格以光的波长水平为间隔，通过改变激光束的位形状来调整。 原子在架子的位置比在任意位置都能更有效地冷却，所以可以达到随机状态下能达到的温度的一半。 例如，关于铯已经达到1.1μk。

单一光子的反冲能量之所以有极限值，是因为无论是多普勒冷却还是偏振梯度冷却，两者都产生连续的吸收和释放的循环过程。 每个过程对原子都很小，但不能忽视不计其数的反跳能量。 原子几乎静止时，免除吸收-释放循环可以在几乎稀薄的原子蒸汽中达到低于反冲冷却极限的温度。 这叫踢球冷却。 20世纪70年代，披萨大学发现，放置在强激光场中的原子可以被光泵激发到没有吸收的相干叠加状态，即所谓的“暗状态”。 科恩-塔诺季和巴黎高等师范学院的同事之一，有蚂蚁孟多(来自e.arimondo，披萨)和阿斯派克( a.aspect )，他们在一系列实验中说明了利用多普勒效应最终可以使最冷的原子进入黑暗状态 这被称为速度选择相干布居陷阱法( vscpt )。

1988年，科恩-塔诺季及其同事冷却了氦原子。 他们用两组相对传输的激光束说明一维冷却达到2μk的温度，比理论预期的反冲极限小两倍。 20世纪90年代初，这个实验迅速发展成二维冷却。 1994年科恩塔诺和阿斯派克的另一组使用互相正交相对传输的两组激光束，二维冷却达到250nk，比踢球极限温度约低16倍。 最终显示，1995年实验发展迅速，用3对激光束向3个方向冷却。 最低温度达到180nk，比踢限低22倍。 理论上预计氦原子的多普勒极限为23μk，踢球极限为4μk。

朱钧文是华裔科学家，1948年出生于美国密苏里州圣路易斯，是美国公民。 他父亲朱汝瑾博士是台湾中央研究院院士。 朱六月文于1976年毕业于美国伯克利加利福尼亚大学，获得物理学博士学位，两年博士学位后参加贝尔实验室，1983年担任贝尔实验室量子电子研究部主任，1987年担任斯坦福大学物理学教授，1990年 他开发了用激光冷却和捕获原子的技术获得了1993年费萨尔王国际科学奖。 同年，他被选为美国科学院会员。

科恩塔诺1933年出生于阿尔及利亚康斯坦丁，是法国公民，1962年在巴黎高等师范学院获得博士学位。 1973年在法国学院担任教授。 他是法国科学院士，因为用激光冷却和捕获原子的独创实验，受到了很多奖励，其中有1996年欧洲物理学会颁发的量子电子学奖。

菲利普斯1948年出生于美国宾夕法尼亚州威尔克斯帕雷，1976年在麻省理工学院获得物理学博士学位。 他为了激光冷却和关于陷阱原子的实验研究，受到了富兰克林学院包括1996年迈克尔森奖在内的许多奖励。

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