第九講激光冷卻和波色愛因斯坦凝聚

第九講激光冷卻和波色愛因斯坦凝聚第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日目錄激光冷卻的原理激光冷卻的發(fā)展歷史絕對零度的定義原子束的減速和多普勒冷卻三維多普勒冷卻（光學(xué)粘膠）磁光陷阱波色-愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)激光冷卻的應(yīng)用第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的原理利用激光光子和原子間的動量傳遞,使原子云(團)的速度分布范圍壓縮。利用激光光場形成的勢阱對原子進(jìn)行捕陷或囚禁。通俗的說法：在光的傳播路徑上光會對物質(zhì)產(chǎn)生一定壓力—稱之為光壓，在進(jìn)行冷卻的時候用多束激光從不同方向照射目標(biāo)體，使其粒子受到光壓的作用，以阻止其熱振動，從而達(dá)到冷卻的效果。第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的原理

眾所周知，激光是高功率的光束，它能產(chǎn)生高溫，因而有激光手術(shù)、激光焊接等應(yīng)用。但是激光居然還能用來冷卻，而且可以冷卻到絕對溫度百萬分之一度(1/1000000)以下，卻似乎有點不太好理解。

激光冷卻法是現(xiàn)在最先進(jìn)的冷卻方法之一，可以打到非常接近絕對零度的超低溫。

第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的原理激光冷卻涉及到多個物理原理，概括起來主要有光的多普勒效應(yīng)、原子能級量子化、光具有的動量。另外，激光的高度單色性和可調(diào)激光技術(shù)也非常重要。

光的多普勒效應(yīng)是指，如果你迎著光源的方向運動，觀察到光的頻率將會增加；如果背離光源方向運動，觀察到的光的頻率將會降低。

第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日原子的能級量子化原子可以吸收電磁輻射的能量，使其本身的能量升高；也可以釋放出電磁輻射，同時自身的能量降低。原子的能級量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定頻率的電磁波。按量子理論，電磁波的能量只能以某種不可分割的單位--能量子--與別的物質(zhì)相作用。而每一份能量子所含的能量正比電磁波的頻率，所以，只吸收和釋放某些特定頻率的電磁波，就意味著原子的能量只能取某些特定的值，故稱為能級量子化。

第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光的多普勒效應(yīng)光與其它實物粒子一樣，也具有動量。當(dāng)一個原子吸收一份電磁波的能量子(即光子)時，它同時也獲得了一定的動量。光的動量與光的波長成反比，方向與光的傳播方向相一致。

現(xiàn)在假設(shè)某種原子只吸收頻率為ν0的電磁波。如果我們把激光的頻率調(diào)在略小于ν0的頻率上(可調(diào)激光技術(shù)可以讓我們精確地調(diào)節(jié)所需激光的頻率)，并把這樣一束激光射在由那種原子組成的樣品上，將會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光的多普勒效應(yīng)我們知道，在高于絕對零度的任何溫度下，組成樣品的原子都在作無規(guī)則的熱運動。當(dāng)其中某個原子的運動方向指向激光的光源時，由于多普勒效應(yīng)，在這個原子看來激光的頻率會略高一些。因為我們把激光的頻率調(diào)在略低于ν0，多普勒效應(yīng)可以使得飛向光源方向的原子看到的激光頻率正好等于ν0。這樣，這個原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量時，它同時也獲得了動量。由于激光傳播的方向與原子運動的方向相反，獲得的動量將使原子的運動速度變慢。

第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日光學(xué)粘膠如果另一個原子的運動方向背離激光的光源時，由于多普勒效應(yīng)，這個原子看到的激光頻率將降低，這樣將更加遠(yuǎn)離它能吸收的電磁波的頻率，所以這個原子不會吸收激光的能量，也不會從激光那里獲得使它加速的動量。如果我們多設(shè)置幾個激光源，從多個方向照射那個樣品。那么按上面的分析，無論樣品的原子往哪個方向運動，它都只吸收迎面而來的激光，因而其運動速度總是被降低。這些原子就好象處在粘稠的粘膠(糖漿)中，它的運動一直受到阻撓，直到幾乎完全停止。所以激光冷卻裝置又被稱為“光學(xué)粘膠(糖漿)”。

第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1933年由Firsch用鈉燈使鈉原子束發(fā)生略微的偏轉(zhuǎn)。1975年Hansch和Shawlow提出激光冷卻1978年Ashkin提出原子俘獲的想法1979年Balykin、Letokhov等啁啾激光原子束減速1982年P(guān)hillips等空間塞曼原子變頻原子束減速

第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1985年朱棣文實現(xiàn)原子三維冷卻1986年實現(xiàn)三維原子捕獲（10-4K）1987年亞多普勒冷卻(10-5K)1992年喇曼激光冷卻1994年相干布居數(shù)囚禁實驗(10-7K)1995年實現(xiàn)波色-愛因斯坦凝聚(nK)

第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史控制、操縱孤立原子是科學(xué)家多年追求的目標(biāo)。由于原子不停的熱運動（104~105cm/s），要想實現(xiàn)控制、操縱，首先要使原子冷下來，即降低其運動速度。由于在這方向上的突出成就，有關(guān)的科學(xué)家榮獲1997年諾貝爾物理學(xué)獎。1997年諾貝爾物理獎授予：49歲的美國斯坦福大學(xué)教授朱棣文(SCchu)；69歲的法國巴黎高等師院C·C·達(dá)諾基教授(CCTanoudji)；48歲的美國國家標(biāo)準(zhǔn)局 W·D·菲利浦斯(WDPhillips) 以表彰他們在激光冷卻原子和捕獲方法上所作出的突出貢獻(xiàn)。

第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1917年，愛因斯坦在有關(guān)黑體輻射的文章中指出：自發(fā)輻射過程中會有動量轉(zhuǎn)移。

第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1933，弗里斯(Frisch）觀察到：鈉燈照射鈉原子束，可使鈉原子束輕微偏轉(zhuǎn)；。

第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1975年，漢斯（Hansch）肖洛（Schawlow）提出激光冷凍原子的思想：用處于多普勒加寬線型低頻端準(zhǔn)單色激光照射原子，可使其損失動量而減速；

第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史巴里克恩（Balykin）、里特考夫（Letokhov）首次觀察到激光減速原子效應(yīng)；

第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1980~1981年，米納根(Minogin)用激光掃描法比較顯著的實現(xiàn)原子束減速達(dá)：1.5K1982年，菲里普斯（Philips）顯著的原子減速100mk

第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1985年，Migdall：實現(xiàn)17mK;

第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1985年，(StenwenChu):用不同的方法(二維光學(xué)勢阱和磁光量子阱)實現(xiàn)240μk

第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻的發(fā)展歷史1988年：（Aspect）速度選擇相干捕陷2μK1992年:(Kasevech):Raman冷卻100nK1995年：(Anderson)：磁光量子阱+蒸發(fā)冷卻20nK2003年09月12日16:37：由德國、美國、奧地利等國科學(xué)家組成的一個國際科研小組，在實驗室內(nèi)達(dá)到了僅僅比絕對零度高0.5nK的溫度。

第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日絕對零度絕對零度，理論上所能達(dá)到的最低溫度，在此溫度下物體沒有內(nèi)能(即原子的速度為零)。把-273.15℃定作熱力學(xué)溫標(biāo)(絕對溫標(biāo))的零度，叫做絕對零度（absolutezero）。熱力學(xué)溫標(biāo)的單位是開爾文（K）。絕對零度是熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對溫標(biāo)）的零點。絕對零度可以達(dá)到嗎？根據(jù)熱力學(xué)第三定律：不可能通過有限的連續(xù)過程達(dá)到絕對零度。換句話說絕對零度是不可能通過實驗手段達(dá)到的，我們只能無限度地逼近它。

第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日絕對零度下表就是最近100多年來人類逐漸向絕對零度逼近的過程。（數(shù)據(jù)主要來自：澤門斯基和迪特曼的熱學(xué)和熱力學(xué)，M.W.ZemanskyandR.H.Dittman,HEATANDTHERMODYNAMICS,1981）

第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日最低溫度的意義開爾文是熱力學(xué)溫度單位，簡稱“開”，1開刻度相當(dāng)于1攝氏度刻度，1納開等于十億分之一開爾文。0開即絕對零度是溫度的極限，相當(dāng)于零下273.15攝氏度，在這種溫度下，分子將停止運動。

第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日最近一次達(dá)到的最低溫度(2003年09月12日16:37)由德國、美國、奧地利等國科學(xué)家組成的一個國際科研小組，日前改寫了人類創(chuàng)造的最低溫度紀(jì)錄：他們在實驗室內(nèi)達(dá)到了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度，而此前的紀(jì)錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達(dá)到絕對零度以上1納開以內(nèi)的極端低溫。

第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日最近一次達(dá)到的最低溫度這個科研小組在新一期美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文介紹說，他們是在利用磁阱技術(shù)實現(xiàn)銫原子的波色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)的實驗過程中創(chuàng)造這一紀(jì)錄的。參與研究的科學(xué)家大衛(wèi)·普里查德介紹說，將氣體冷卻到極端接近絕對零度的條件對于精確測量具有重要意義，他們的此次實驗成果有助于制造更為精確的原子鐘和更為精確地測定重力等。

第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日最近一次達(dá)到的最低溫度玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的一種奇特的狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個粒子一樣。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。要實現(xiàn)物質(zhì)的該狀態(tài)一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。華裔物理學(xué)家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術(shù)制冷法而與另兩位科學(xué)家分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎。

第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日最近一次達(dá)到的最低溫度科學(xué)家說，他們希望利用新達(dá)到的最低溫度發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)的新現(xiàn)象，諸如在此低溫下原子在同一物體表面的狀態(tài)、在限定運動通道區(qū)域時的運動狀態(tài)等。因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài)而獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎的德國科學(xué)家沃爾夫?qū)た颂乩赵u價說，首次達(dá)到絕對零度以上1納開以內(nèi)的溫度是人類歷史上的一個里程碑。2003年09月12日16:37德、美、奧等國科學(xué)家組成的科研小組達(dá)到了絕對零度高0.5納開爾文的溫度。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日原子束的減速利用共振激光與原子束對射，在原子受激吸收過程中，光子的定向動量傳給原子，使原子減速。然后，原子自發(fā)輻射回到基態(tài)。這時，發(fā)射光子方向是任意的，從大量平均效果來說，自發(fā)輻射對原子動量改變貢獻(xiàn)為零。

第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日多普勒冷卻

對于鈉原子束600°K，平均速度在1000米/秒，每吸收一個光子速度改變3厘米/秒，需要吸收3×104個光子才能將原子速度減至零。但由于多普勒效應(yīng)的影響，冷卻過程中原子共振頻率是不斷變化的，原子吸收100個光子由于多普勒頻移的改變就會離共振。使冷卻過程終止。

第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日各向同性激光輻射與具有熱速度分布原子氣體冷卻

第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日實驗由三對相向、頻率滿足Δω=ω-ω0=K·v<0，即多普勒線型低頻端（紅移）

第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光掃頻法：(FrequencyChirping)基本思想是讓冷卻激光的頻率連續(xù)跟隨原子多普勒頻移的變化，持續(xù)保持共振。

這種方法在使用中得到了發(fā)展，成功地將原子束減速。

第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻原子在科學(xué)上的意義大大提高了高分辨率激光譜研究精度。從而有力推動原子、分子物理學(xué)的進(jìn)步。當(dāng)原子運動速度接近至0，將被捕獲在一個小區(qū)域，一切由原子熱運動造成的譜線加寬（多普勒加寬、碰撞加寬、渡越加寬、相對論加寬等）都將被消除。原子譜線只有由能級躍遷的量子性質(zhì)決定的自然加寬。同時由原子被捕獲區(qū)域可以長時間的觀測到，提高觀察靈敏度和精度。第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻原子在科學(xué)上的意義開辟了新的原子、分子物理和光物理的研究領(lǐng)域。例如在研究光場和原子相互作用的基礎(chǔ)上，形成了原子光學(xué)的新分支。借助光場可以使中性原子聚焦、準(zhǔn)直、反射、分束、偏轉(zhuǎn)。 由于冷原子的德布羅意波長λP=h/p=h/mv（v：原子速度，m：原子質(zhì)量）較長，還可以研究原子干涉，原子衍射等物質(zhì)波現(xiàn)象，形成德布羅意光學(xué)。激光冷卻原子使原子鐘的精度提高2~3個量級。第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光冷卻原子在科學(xué)上的意義第一、激光冷卻原子最基本的思想是：原子對光子吸收再發(fā)射，動量守恒和能量守恒。第二、多普勒冷卻激光頻率ω=ω0+K·V，滿足ω-ω0 =K·V<0；第三、光學(xué)粘膠。可以冷卻任意方向速度的原子，是該研究領(lǐng)域的一次突破，美籍華人朱棣文在這方面做了開創(chuàng)性的工作；第四、冷凍原子在高分辨率光譜學(xué)，量子頻標(biāo)，原子、分子物理學(xué)新分支（原子光學(xué)、德布羅意光學(xué)）玻色~愛因斯坦凝聚等方面應(yīng)用前景廣闊。

第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日原子鐘

原子鐘誕生于50年代，是時間標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展史上一次巨大的飛躍，它利用了原子量各能級的輻射躍遷h

ν

=E2-E1

。ν=(E2-E1)/h是相關(guān)躍遷的頻率，它是原子的固有頻率。

優(yōu)點：由于原子存在的普通性、長久性、能級的穩(wěn)定性，原子鐘的固有頻率ν是確定的。

由于Cs原子的核磁矩不為0，它的基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)有兩個子能級，分別用量子數(shù)F=3，4表示。這兩個能級間的躍遷頻率為9.2GHz，正處于微波區(qū)，可以作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，其作用相當(dāng)于石英鐘的石英片。

第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日原子鐘

1967年在零磁場下原子基態(tài)兩個精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的躍遷頻率作為國際通用的頻率標(biāo)準(zhǔn)。

1秒定義為相應(yīng)的電磁波持續(xù)9192.631770個周期的時間，即原子秒。

我國原子鐘1981年鑒定（中國計量學(xué)院）第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日銫原子鐘裝置第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日Laserfusion激光核聚變中東戰(zhàn)爭、油價上漲、能源危機、溫室效應(yīng)尋求更豐富、更廉價、更清潔的能源—核能激光核聚變

第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日Laserfusion激光核聚變氫元素的原子核（D氘-H2，T氚-H3）可控制地在高溫下聚合成重原子核，發(fā)出大量能量可控氫彈

氘+氘——————氚+質(zhì)子+4Mev

點火條件

(4億度維持1秒）1克氘聚變可產(chǎn)生10萬度電能

第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日Laserfusion激光核聚變

第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日激光聚變的四個階段

第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日美國核聚變裝置圖

第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日上海光機所神光Ⅱ號裝置

第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日2005年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者德國特奧多爾.亨施(63歲)---激光的精密光譜學(xué)發(fā)展美國約翰.霍爾(71歲)---激光的精密光譜學(xué)發(fā)展美國羅伊.格勞貝爾(80歲)—對光學(xué)量子理論做貢獻(xiàn)第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日朱棣文

——華裔諾貝爾獎得主第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日學(xué)生時代中學(xué)時，朱棣文的成績不算拔尖。但上了大學(xué)以后，朱棣文說：“我不光是學(xué)書本上的東西，而是自己想學(xué)的就下功夫?qū)W?！苯Y(jié)果朱棣文成了最優(yōu)秀的學(xué)生。朱棣文是在中西文化共同浸染下成長起來的，他繼承了中西文化的精髓，他的內(nèi)心深處既有西方人的率真、幽默，也有東方人的謙虛、含蓄。他不是那種木訥型的科學(xué)家，而是一個性格活潑開朗、充滿風(fēng)趣的人。第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日生平簡介祖籍中國江蘇太倉。1948年2月28日出生在美國的密蘇里州圣路易斯。1970年畢業(yè)于羅徹斯特大學(xué)，獲數(shù)學(xué)學(xué)士和物理學(xué)學(xué)士。1976年獲加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)博士。１９８７年，他到斯坦福大學(xué)任物理學(xué)教授，是該校第一位華裔教授。

１９９３年６月，他當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士。

第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日生平簡介１９９７年，朱棣文因發(fā)明用激光冷卻和俘獲原子的方法獲得諾貝爾物理學(xué)獎。２００４年８月起，他擔(dān)任勞倫斯·伯克利國家實驗室主任，是首位掌管這個美國能源部下屬國家實驗室的亞裔人士。１９９８年６月，朱棣文當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍