用頻率梳技術捕獲並冷卻原子

一種新的捕獲和冷卻原子的方法，已經由加利福尼亞大學(位於洛杉磯)的物理學家們發現。他們使用了被稱為頻率梳的脈衝激光技術，用以冷卻原子云樣品；並且可以預計：有朝一日該技術將被用來研究某些至今尚未冷卻至0 K 附近的原子(如氫、碳、氮和氧，它們在生物學和天文學中很重要)之量子行為。這些原子不能使用傳統的方法冷卻，因為這將需要高功率的紫外線激光器，目前難於裝備。

激光冷卻首先在1985年實現，過程涉及減緩原子的運動，直到其溫度接近0 K。在標準的激光冷卻中，設置多束激光，它們相互交叉於原子云樣品。以冷卻銣原子為例，首先激光頻率調諧到略低於銣的諧振頻率；由於多普勒頻移，這使得原子激發主要靠吸收迎面射來的光。每一個激發的原子，之後在一個隨機的方向自發發射，返回低能級。這導致原來正對激光入射方向的原子動量凈損失。正負x，y，z六個方向都損失動量，結果原子云總體的運動放緩，溫度降低。

為了冷卻氫、碳、氮、氧以及類似的原子，Wesley Campbell，Xueping Long 和Andrew Jayich 等研究了頻率梳技術用於激光冷卻的潛力(見圖)。不同於標準激光冷卻中的連續波激光器，頻率梳在一個寬的頻譜上發射光的短脈衝。這種寬的頻譜源於海森伯的不確定性原理：一個時間短脈衝必然有一個大的能量不確定性，後者轉化為一個寬的頻率分布。頻率梳頻譜由成千上萬個均勻分布的離散峰組成，因看起來像一排梳子齒而得名。研究者用他們的頻率梳冷卻約1000 萬個銣原子至60 μK，並且將新方法與傳統的激光冷卻方法作比較。這個團隊開發了一個理論模型，表明頻率梳也可以用來冷卻反氫原子、氫、碳、氧和氮原子。

Wesley Campbell，Xueping Long和Andrew Jayich在實驗中

頻率梳技術提供兩個不同頻率的光子，其能量加起來等於紫外光子，從而能代替使用一個單一紫外光子激發氧原子。第一光子來自一個梳齒，激發原子到中間態。然後第二光子來自另一個梳齒，激發原子從中間態到最終的激發態。在頻率梳中可用的配對頻齒有許多，確保可以提供必要的能量組合，完成兩步激發。

有評論說，新的頻率梳技術將有助於原子、分子和光物理諸領域的先進技術，用於解決化學和生物學中的重要問題。

(戴聞編譯自Physics World，October 12，2016)

本文選自《物理》2017年第1期