激光冷卻和波色愛因斯坦凝聚

什么叫激光冷卻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行捕陷或囚禁。本文檔共86頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\17點11分溫度溫度實際上反映了空氣中分子的運動能量的大小，溫度越低，空氣分子平均動能越小。根據(jù)氣體分子的麥克斯韋分布有本文檔共86頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\17點11分不同溫度定義多普勒冷卻極限溫度參與冷卻激光冷卻力與冷卻過程中自發(fā)輻射引起的擴散達對原子共同作用到平衡的結(jié)果。Na238KRb142KCs120K

本文檔共86頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\17點11分量子反沖極限溫度原子速度分布在一個光子反沖以內(nèi)，即Na2.4μKRb0.37μKCs0.20μK本文檔共86頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\17點11分一、概述1、激光冷卻研究對象：原子在光吸收和反射過程中所受的力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用等問題。2、光子的動量-康普頓效應(yīng)本文檔共86頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\17點11分康普頓效應(yīng)(1923)當(dāng)看成微粒入射的X射線與物質(zhì)內(nèi)的電子撞擊時，電子將使x射線微粒散射撞向至與入射方向不同的方向上，即x射線微粒改變運動方向，故其動量發(fā)生變化。本文檔共86頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\17點11分愛因斯坦躍遷理論（1916）受激吸收本文檔共86頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\17點11分自發(fā)輻射受激輻射本文檔共86頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\17點11分激光冷卻的發(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本文檔共86頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\17點11分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)本文檔共86頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\17點11分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為零。本文檔共86頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\17點11分需注意的兩個問題多普勒頻移原子減速過程中由于多普勒效應(yīng)實際感受的的頻率為原子與光束反向時，共振頻率向頻率較低處移動（紅移）；同向時，共振頻率向高處移動（藍移）。

本文檔共86頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\17點11分對于鈉原子束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。本文檔共86頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\17點11分光抽運原子基態(tài)是多重的，而作用光只能與其中的一對基態(tài)和激發(fā)態(tài)共振，在自發(fā)輻射過程中，原子又不一定回到基態(tài)，可能被光抽運到其他基態(tài)能級，從而使冷卻停止。本文檔共86頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\17點11分光抽運問題的解決1、用多個頻率的光共同作用本文檔共86頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\17點11分2、用圓偏振光本文檔共86頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\17點11分掃頻（啁啾）減速本文檔共86頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\17點11分空間塞曼能級變化可以制造一空間變化的磁場，使塞曼能級變化抵消冷卻引起的多普勒頻移變化本文檔共86頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\17點11分多普勒冷卻本文檔共86頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\17點11分三維多普勒冷卻（光學(xué)粘膠）

S.Chu1985本文檔共86頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\17點11分光陷阱利用光的偶極勢囚禁原子缺點：有自發(fā)輻射存在的加熱效應(yīng)冷卻后原子的囚禁本文檔共86頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\17點11分磁陷阱利用磁場空間變化囚禁原子缺陷：在B=0附近原子會磁矩迷失，從而發(fā)生逃逸。本文檔共86頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\17點11分磁光陷阱本文檔共86頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\17點11分溫度測量飛行時間法通過測量原子云在自由下落過程中的擴散情況，測量原子云中原子速度的分布情況，從而求得溫度。本文檔共86頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\17點11分多普勒冷卻的突破1985年美國NIST小組得到了一些用多普勒理論無法解釋的結(jié)果。在磁光陷阱中得到原子云的溫度低于多普勒極限溫度。與此同時，中科院上海光機所王育竹也在原子束上觀察到一維冷卻低于多普勒極限溫度的情況。本文檔共86頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\17點11分西西弗斯效應(yīng)原子在強駐波場中，由于斯塔克效應(yīng)能級會隨場強變化，原子通常在走到基態(tài)頂部更易吸收紅移光子到達激發(fā)態(tài)底部，而激發(fā)態(tài)原子消耗動能到達頂部，這時，自發(fā)輻射的幾率最大，放出藍移光子，回到基態(tài)低部，原子再消耗動能爬上基態(tài)的低部，再一次吸收紅移光子到達激發(fā)態(tài)底部。這樣不斷吸收紅移光子放出藍移光子使原子動能不斷消耗，而被冷卻。本文檔共86頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\17點11分偏振梯度冷卻本文檔共86頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\17點11分亞反沖極限冷卻速度選擇相干布居數(shù)囚禁原子存在一個與速度有關(guān)而與光無關(guān)的黑態(tài)，可作為原子的囚禁態(tài)喇曼冷卻利用原子喇曼躍遷，對原子有速度選擇的作用，從而達到冷卻原子的目的。本文檔共86頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\17點11分速度選擇相干布居數(shù)囚禁對于原子和光場組成的系統(tǒng)，光場、原子與原子和光的相互作用的哈密頓算子HA、HL和VAL對于態(tài)組成的基組的總哈密頓量為其中ωR為拉比頻率。本文檔共86頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\17點11分對于態(tài)有即光場和該態(tài)沒有作用，這個態(tài)被稱為黑態(tài)。本文檔共86頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\17點11分喇曼冷卻本文檔共86頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\17點11分蒸發(fā)冷卻與波色-愛因斯坦凝聚什么是波色-愛因斯坦凝聚？當(dāng)原子云的密度和溫度達到一定的限度，使得原子與原子間的物質(zhì)波發(fā)生交疊，原子出現(xiàn)了群體得效應(yīng)，如超導(dǎo)、超流等。如果原子相空間密度達到可觀察到波色-愛因斯坦凝聚。本文檔共86頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\17點11分蒸發(fā)冷卻本文檔共86頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\17點11分磁陷阱的堵漏本文檔共86頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\17點11分波色-愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)本文檔共86頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期二\17點11分

玻色-愛因斯坦凝聚性質(zhì)

(1)BEC的靜態(tài)性質(zhì)

BEC的靜態(tài)性質(zhì)主要指它的大小、形狀、轉(zhuǎn)變溫度、凝聚態(tài)原子數(shù)和原子密度等。這取決于原子的特性與囚禁勢的不同。BEC的大小為10μm～100μm量級。由于勢阱中的勢是各向異性的，因此多數(shù)BEC的形狀不呈圓形，而是橢球狀，其長短軸線度之比稱為縱橫比(aspectratio)，一般為幾到十幾，甚至更大。

本文檔共86頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期二\17點11分一般轉(zhuǎn)變溫度為100nK～2μK，受勢阱情況影響很大，也與阱中原子數(shù)和密度有關(guān)；凝聚原子數(shù)則從幾百到109，原子密度變化也很大，可高達1015/cm3。

本文檔共86頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期二\17點11分

(2)BEC的動態(tài)特性

BEC的動態(tài)特性包括了一系列現(xiàn)象，是研究的主要方面，如BEC的穩(wěn)定性，擴張，集體激發(fā)，振蕩和衰變等，這些現(xiàn)象都涉及BEC內(nèi)原子之間和原子與阱勢的相互作用，是“非常冷”的原子團的特性。本文檔共86頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期二\17點11分

BEC是不穩(wěn)定的，隨著時間衰變，有一定壽命，一般為幾秒到幾分鐘。

撤去磁阱后BEC自由膨脹，其原因有二。一是因為原子團被阱束縛在很小的范圍內(nèi)，根據(jù)測不準(zhǔn)關(guān)系，位置限制得愈小，動量的變動就越大，因此，BEC從阱中釋放后，擴張很快；二是原子間的相互作用，它們是排斥性的，也使BEC擴張。

本文檔共86頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期二\17點11分

BEC是一種宏觀量子現(xiàn)象，在磁阱中純BEC的溫度接近于零，但處在量子基態(tài)的原子團還在做零點振動?？梢园阉鼈兗w激發(fā)，也是一種“元激發(fā)”，使它們激發(fā)到阱中的高能級激發(fā)態(tài)，它們也可用n,l,m量子數(shù)來描述，其中n表示徑向量子數(shù)，l，m表示總角動量及其軸向分量。激發(fā)方法是對阱勢做一個隨時間變化的擾動，或進行調(diào)制。

本文檔共86頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期二\17點11分然后對它們的動態(tài)特性進行測量。一般是用吸收成像法或在位色散成像法(后者更好)測原子云的形態(tài)變化，振動及其隨時間的衰減。原子云的振蕩實際上是聲振蕩，因此對聲波傳播具有重要影響，這是傳統(tǒng)超流體研究的主要課題，對了解玻色氣體的動力學(xué)性質(zhì)有顯著作用。

本文檔共86頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期二\17點11分

(3)BEC的相干性

玻色凝聚體的一個顯著特點是可用一個宏觀波函數(shù)來描述，整個原子云具有統(tǒng)一的相位。因此BEC中的原子具有相干性，如果兩團BEC相遇，就會出現(xiàn)干涉條紋。

本文檔共86頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期二\17點11分(4)BEC的宏觀物質(zhì)波性質(zhì)

BEC有波動性質(zhì),比如，布喇格衍射。此外，在非線性介質(zhì)中還有類似非線性光學(xué)的性質(zhì)，如產(chǎn)生四波混頻，可進行物質(zhì)波放大等。

本文檔共86頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期二\17點11分

(5)BEC的轉(zhuǎn)動，渦旋和超流性質(zhì)

超流的一個奇異特性體現(xiàn)在“旋轉(zhuǎn)水桶”實驗中：尋常液體放在一個轉(zhuǎn)動容器中，液體將跟著整個容器轉(zhuǎn)；但超流體則完全不同，若轉(zhuǎn)動頻率低，液體不轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)動頻率高于某一臨界值，則液體的速度場中會出現(xiàn)渦旋絲。它是量子化的，即環(huán)繞渦旋的速度環(huán)流之值為

本文檔共86頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期二\17點11分其中Ω為流體旋轉(zhuǎn)速度，n是整數(shù)，M是液體粒子的質(zhì)量，h是普朗克常數(shù)。BEC中的“速度”體現(xiàn)在其相位的梯度上，這種量子化也可理解為圍繞渦旋一圈相位改變2π。因此，出現(xiàn)渦旋是BEC超流性的表現(xiàn)。

本文檔共86頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期二\17點11分與超流有關(guān)的一個突出成果是BEC在光學(xué)柵格中從超流態(tài)轉(zhuǎn)到絕緣態(tài)的相變實驗。這個實驗由Hansch小組完成。他們在87Rb的BEC中用六束正交激光駐波發(fā)生光學(xué)柵格，形成如圖那樣的勢壘，調(diào)節(jié)激光強度可以改變勢壘的峰谷高度，

本文檔共86頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期二\17點11分本文檔共86頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期二\17點11分從而實現(xiàn)BEC狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在低溫下(約10nK以下)，所有氣體銣原子可自由在BEC中流動而沒有摩擦，處于超流態(tài)。當(dāng)勢壘有一些高度時，氣體仍保持著超流態(tài)，所有原子仍是相干的；但當(dāng)勢壘高度超過一定值時，原子被禁錮在一個勢谷中而不能流動，成為絕緣態(tài)，各格點中的原子失去了相干性