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激光冷却玩转单原子

导读: 原子的英文名(Atom)是从希腊语(atoms,“不可切分的”)转化而来,其定义为化学变化中不可分割的最小单元。通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间。

  OFweek激光网讯:原子的英文名(Atom)是从希腊语(atoms,“不可切分的”)转化而来,其定义为化学变化中不可分割的最小单元。通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间。对于这样一种比头发丝直径还小几千几万倍的物体,甚至连世界上最精密的光学显微镜都无法直接观测,我们可以把它抓住,任意地操纵它吗?连量子力学的奠基人之一,伟大的物理学家薛定谔都对此表示极大的怀疑:“我们从来没有用一个电子、原子或者其他分子做过实验。在构想的实验中,我们的假设总是导致可笑的后果……”。但伴随着科技的发展和进步,在六十年前不可想象的实验,现在不仅在实验上实现了单个电子、单个离子、单个原子等的囚禁和操控,而且其相关的实验技术已经在世界各地实验室得广泛应用。其中2012年诺贝尔物理学奖还授予塞尔日.阿罗什和大卫.维因兰德,以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下,测量和操纵它们的方法。那么在这些单粒子中,单个原子到底是如何被捕获?又如何可以让这些单原子按照我们的意愿去行动呢?

  捕获单原子的两种方式

  一是采用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜等在固体表面捕获并操纵单个原子。典型的工作是由IBM的科学家在二十世纪九十年代完成的。他们采用STM移动吸附在金属表面的原子来排列成各种形状。尤其是用48个铁原子在铜表面形成半径为7.13纳米的量子空心围栏,并观察到囚禁表面态电子形成的驻波。这种方案主要用于研究表面电子与原子的相互作用、无缺陷表面电子波衰减、电子与声子激子相互作用等。另一种方法则是采用激光冷却并捕获气相中的单个原子。典型的工作是在超高真空中采用磁光阱将原子冷却到接近绝对零度(其典型温度在绝对零度之上的万分之一度)并囚禁,然后采用一个非常小的光阱,从中“挑”出一个原子。在这种情况下,一个原子几乎从环境中孤立出来,是一个典型的量子体系,它将会展现出一系列匪夷所思的特性,如既是波又是粒子的波粒二象性(单原子物质波),既死又活的薛定谔猫态(单原子电子叠加态)、现在所走的路径取决于未来的选择(单原子的惠勒延迟选择实验)等。为了观察到这些奇特的现象,我们需要将室温下的原子冷却到极低温的状态,意味着将原子的速度从几百米每秒降到几米甚至几厘米每秒。怎么办呢?1997年诺贝尔物理学奖的得主们说,用激光!

  原子冷却及单原子捕获

  在介绍激光冷却的原理之前,大家需要先了解两条基本的规则:1,原子会吸收频率与其能级固有频率共振的光子,越共振越容易吸收;2,多普勒效应,原子逆着光传播方向运动时,感受到的激光频率会变大,反之感受到激光频率则变小。当原子在频率略低于其能级固有频率且相向传播的一对激光束中运动时,由于多普勒效应,原子倾向于吸收与其运动方向相反的光子,吸收后再向各个方向各向同性地自发辐射出光子。平均来说,激光对原子的作用就是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力,从而使原子向前的速度越来越慢。只要在空间加上三对互相对射的激光束,那在三维空间六个方向上原子的速度都会被减慢下来。这就是斯坦福大学的朱棣文当时用于冷却原子的“光学糖浆(Opticalmolasses)”,意指原子在里面就像小虫子飞到糖浆里一样寸步难行。

  图1、左图演示了速度为v的原子与动量为hk的光子相遇后,吸收光子后速度减小了hk/m,然后各向同性释放光子后原子的总速度比最初降低了。右图是实验室拍到的三对激光形成的光学糖浆。

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责任编辑:Lsz
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