激光冷却原理及其冷原子应用

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激光冷却原理及其冷原子应用

2022-06-14 14:18

在冷原子物理中，很多实验工作，都需要对粒子进行控制（囚禁离子原子，如原子钟），放慢它们的速度，提高测量精度。而随着激光技术的发展，激光冷却也已经开始广泛用于冷原子中。

在原子尺度下，温度的本质就是粒子的运动速度。激光冷却，就是利用光子和原子交换动量，从而冷却原子。举个例子，假使一个原子有前进速度，之后再次基础上它吸收了一个往运动方向相反的飞行光子，那么它的速度就会变慢。这就像一颗在草地上向前滚动着的球，如果在不受其它推力作用时，它就会由于与草地接触所带来的“阻力”停下。

这就是原子的激光冷却，而这个过程是一个循环。也正是因为这个循环过程，原子才能持续冷下来。

在这当中，最简单的冷却是利用多普勒效应。

然而，并非所有原子都能被激光冷下来，必须在原子能级间找一个“循环跃迁”才能实现。只有经过循环跃迁，冷却才能被实现并持续不断地进行下去。

目前由于碱金属原子（比如Na）最外层只有一个电子，而碱土族（比如Sr）最外层的两个电子也可以被看成一个整体，因此这两种原子的能级都非常简单，容易实现“循环跃迁”，所以现在被人们冷却的原子，大部分是简单的碱金属原子或者碱土族原子。