原子氣體的多普勒冷卻

武寄洲多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機(jī)制多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機(jī)制Steven

Chu

(朱棣文)

StanfordUniversity

USATheRoyalSwedishAcademyofSciences

hasawardedthe1997NobelPrizeinPhysicsjointlyto:

“fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight”NobelPrizeinPhysics

1997

C.Cohen-Tannoudji

Ecole

Normale

Superieure&CollegedeFranceFrance

WilliamsPhillips

NationalInstituteofStandards&TechnologyUSA多普勒效應(yīng)波源與接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射頻率與接受頻率不同的現(xiàn)象。

接受頻，是介質(zhì)中的波速，保持不變,是接收器的速度，趨向波源為負(fù)，離開(kāi)波源為正。是波源速度，趨向接收器為正，離開(kāi)接收器為負(fù)。表示波源的固有頻率。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)著的光源的光波到達(dá)眼睛時(shí)，如果光源移動(dòng)得夠快的話，頻率會(huì)發(fā)生移動(dòng)，就是說(shuō)，顏色會(huì)發(fā)生改變．

假若光源向著我們運(yùn)動(dòng)，每秒鐘就會(huì)有較多的光波擠進(jìn)我們的眼睛，我們所看到的光就會(huì)向可見(jiàn)光譜的高頻端（即紫端）偏移；反之，如果光源遠(yuǎn)離我們而去，每秒鐘到達(dá)的光波就較少，于是光就會(huì)向可見(jiàn)光譜的低頻端（即紅端）偏移．

多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機(jī)制激光冷卻中性原子思想的提出

1975年Hansch

和Schawlow

OpticsCommunication,Vol.13(1975)p.68V原子

V”激發(fā)的原子V’

原子靜止時(shí)的吸收頻率為,則由于多普勒效應(yīng)，當(dāng)它以速度相對(duì)光波運(yùn)動(dòng)時(shí)，被共振吸收的光波的頻率應(yīng)該是

從動(dòng)量角度講，吸收后原子以自發(fā)輻射的方式發(fā)出光子回到基態(tài),然后再吸收光子,再自發(fā)輻射.每次吸收一個(gè)光子,原子都得到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的動(dòng)量,而每次自發(fā)輻射,發(fā)射光子的方向卻是隨機(jī)的(自發(fā)輻射是各向同性的，導(dǎo)致自發(fā)輻射引起原子動(dòng)量變化為0)。因此多次重復(fù)下來(lái),激光束的散射力對(duì)原子的運(yùn)動(dòng)起阻尼作用，原子因之被減速。平均每次吸收-自發(fā)輻射循環(huán)降低的速度為從能量的角度講，運(yùn)動(dòng)原子吸收來(lái)自負(fù)失諧激光束的光子，而自發(fā)輻射出的光子的頻率為其共振頻率，因而自發(fā)輻射光子的能量高于所吸收的光子能量，其能量的差值正是原子散射光子的過(guò)程中所消耗的原子自身的動(dòng)能。原子動(dòng)能的降低，也就是原子體系的等效溫度也在降低。這樣就實(shí)現(xiàn)了中性原子的激光冷卻。駐波場(chǎng)中的原子F的函數(shù)線型kk-|

|/k

/kvz0forcesmallvelocities:

F

-v?viscosity”

OPTICALMOLASSESzeroforcefor

v=0

coolingNetforce:StevenChu—光學(xué)粘膠與MOT讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來(lái)的激光束阻止下來(lái)，然后把鈉原子引進(jìn)兩兩相對(duì)，沿三個(gè)正交方向的六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍有紅移，其效果就是不管鈉原子企圖向何方運(yùn)動(dòng)，都會(huì)遇上具有恰當(dāng)能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區(qū)域。在這個(gè)小區(qū)域里，聚集了大量的冷卻下來(lái)的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)。由六束激光組成的阻尼機(jī)制就像某種粘稠的流體，原子陷入其中會(huì)不斷降低速度。這種機(jī)制就叫做“光學(xué)粘膠”。但是處于光學(xué)粘膠中的原子會(huì)由于重力而往下掉落。為了真正陷俘原子，就需要有一個(gè)陷阱。朱棣文和他的小組在光學(xué)粘膠裝置的基礎(chǔ)上再加上兩個(gè)磁性線圈，設(shè)計(jì)了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。磁光陷阱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。

熱冷T小T大“熱”

vs

“冷”@在重力場(chǎng)中，熱平衡態(tài)下氣體系統(tǒng)中的原子、分子的速度分布:Maxwell-Boltzman

分布@氣體系統(tǒng)的溫度，表示其中的原子、分子的平均平動(dòng)能:

由于原子束中的原子有一定的速度分布,太快的原子由于其多普勒頻移過(guò)大使得激光不能與它們共振，因而不能被減；太慢的原子由于多普勒頻移太小而總是離共振，減速也不太明顯。只有速度適中的原子多普勒頻移量基本適合,其速度明顯被降低。激光減速的結(jié)果是,使原來(lái)熱原子束很寬的原子速度分布被壓窄,并被移到低速區(qū).內(nèi)容提要多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)介多普勒冷卻機(jī)制多普勒冷卻的極限多普勒冷卻的極限

一方面，多普勒冷卻理論是設(shè)原子具有簡(jiǎn)單的二能級(jí)譜。實(shí)際上，真正的原子都具有多個(gè)超精細(xì)能級(jí)（塞曼子能級(jí)），原子在散射光子的過(guò)程中，通過(guò)自發(fā)輻射回到基態(tài)的過(guò)程中，有可能落到其它與激光非共振的超精細(xì)能級(jí)上，這部分原子不再與激光場(chǎng)作用而不被繼續(xù)冷卻。

另一方面，由于多普勒冷卻時(shí)，滿足共振條件。當(dāng)原子速度被降低后，上述共振條件不再滿足。減速的效果會(huì)弱下去。而速度很低，共振條件意味光波頻率非常接近原子躍遷頻率。原子的躍遷譜線寬度最窄，是原子能級(jí)壽命決定的自然線寬，多普勒線寬比之大很多，所以多普勒冷卻方式不能最終移走自然線寬的熱運(yùn)動(dòng)能量。

Askaliyan

提出除光壓外，還有梯度力概念

Letokhov

提出用梯度力陷俘原子---光阱

Ashkin

光對(duì)中性原子和微粒的作用力

Hansch，Schalow

中性原子的激光冷卻建議

Wineland,Dehmelt

離子的激光冷卻建議1978Wineland,Dehmelt

阱中離子激光冷卻實(shí)驗(yàn)

Balykin

激光減速原子束實(shí)驗(yàn)朱棣文(S.Chu)第一個(gè)OpticalMolasses實(shí)驗(yàn)1987Pritchard實(shí)現(xiàn)第一個(gè)MOT,Dalibard提