激光冷却技术及其发展

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　激光冷却固体也被称之为光学冰箱，其概念早在1929年就由德国物理学家彼得·普林斯海姆提出。20年后，法国物理学家卡斯特勒（Kastler）等人就提出稀土掺杂的固体材料可能具有激光制冷的潜力。后来科学家有诸多失败的尝试，固体材料的激光制冷直到1995年才第一次被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室观察到。他们用波长为1010纳米的激光照射稀土钇掺杂的玻璃，使得物体的温度降低了0.3摄氏度。经过多年的努力，他们在2011年用波长为1020纳米的激光成功的将掺镱氟化钇锂晶体的温度从室温降到零下160摄氏度。这一制冷纪录已经超越基于半导体温差电效应的制冷器件，但是也达到了稀土掺杂材料的最低冷却极限。
  　　由于半导体材料独特的物理性质，理论上它具有更大冷却效率和低达零下260摄氏度的冷却极限。这一温度可以替代几乎所有的冷却剂，包括超导体必须的冷却剂液氦。半导体材料能够很容易的集成在一起，因此被认为是下一代光学制冷器的候选材料。然而，长久以来研究者虽然在III-V族半导体材料如砷化镓进行了理论和实验上地广泛的研究，但由于这种材料低的电子和声子耦合效率和高的荧光光子再吸收效应，使得人们一直没有得到真正地实现激光冷却。
+ F  J6 y$ N* I2 P$ c5 n  一、激光冷却技术历程及发展方向回顾
6 d, p+ _" @4 x; M  　　激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。激光冷却气体原子技术及其在科学技术中的应用是近二十年来发展十分迅速的研究领域。1997年度的诺贝尔物理学奖颁发给了美国斯坦福大学的朱棣文( Steven Chu)、美国国家标准与技术研究所的菲利普斯(William D.Phillips)和法国巴黎高等师范学院的科昂.唐努日( Claude N. Cohen-Tannoud ji)， 表彰他们在激光冷却和捕陷气体原子研究中所做出的突出贡献。2002年度的诺贝尔物理学奖， 授予美国科学家维曼( Carl E. Wieman )、康奈尔( Eric A.Corne ll)和德国科学家克特勒(Wolfgang. Ketterle)， 表彰他们在实现玻色-爱因斯坦凝聚工作中做出的突出贡献。近期两届诺贝尔物理奖均授予了同一领域的两项成果， 说明这是一个极其重要和活跃的前沿研究领域， 特别是这些研究结果为当今高新技术的发展打下了基础， 并将对二十一世纪科学技术的发展带来深远的影响。
  　　人类在很久以前就认识到光具有压力， 称光压。牛顿在观察星空时就发现彗星在宇宙间运动时， 彗尾总是背向太阳。他认识到光有压力。在历史上很多的科学家曾进行过光压的实验， 但只能观察到很微弱的现象。直至激光问世之后， 光的辐射压力才有可能成为倍受关注的研究问题。激光是相干光， 当相干光与原子共振时， 原子吸收光子的截面很大， 原子受到的光压就很大。实际上共振光压比重力大10万倍。因此， 光的力学效应就是一个不可忽略的物理效应了。1976年汉斯( T. Hansch)和肖洛( A. Schaw low )以及瓦恩兰( D. W ineland)和德默尔特(H. Dehmelt)各自独立地提出了激光冷却气体原子的建议； 其物理思想是建立在光与原子相互作用的过程中动量交换的基础上， 通过动量交换形成光的辐射压力， 从而控制原子的外部运动和降低原子运动的速度。
  　　1985年， 朱棣文进行的激光冷却实验是利用三对相互垂直的激光束进行的。在这种光场中， 原子不仅因受粘滞力而被冷却， 而且还受梯度力被囚禁于光束交汇区中。这种囚禁类似于微粒在粘稠的液体中作布朗运动的情况。由于阻尼力的作用， 原子的运动速度很慢， 每扩散1厘米需要1秒钟。如果没有光场的作用， 原子扩散1厘米只需20毫秒。因此， 将这种囚禁作用称为“光学粘胶”。实验测量得到钠原子气体的温度为240μK， 测量的结果与理论预言相符合。
' q: m+ g6 P5 }: X  　　激光冷却和捕陷气体原子研究已发展了20多年， 在各国实验室中激光冷却和捕陷气体原子已成为获得超冷原子的典型方法和技术。但新的激光冷却机制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特别是微结构势阱中的激光冷却和囚禁气体原子(分子)技术的研究仍是当前研究的重点课题。
; t$ b/ o0 z1 e8 u, k  　　激光冷却超冷原子不仅在科学实验中有重要学术价值， 而且在高科技中也具有重大的应用前景。特别是对于玻色-爱因斯坦凝聚态研究、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪研制等。
  　　原子钟对物理学研究、计量科学研究和高科技研究均有极大的推动力。使用新型原子钟后， 全球定位精度(GPS)可精确到毫米量级， 对航海、航天和国防技术有多么重大的意义。新型原子钟将大大地提高对广义相对论的验证精度， 使人们在更深层次上认识世界， 有力地推动科学与技术的发展。
! x  O, T0 r# ?  　　激光冷却和操纵原子技术的另一个重要应用是研制高精度的原子干涉仪。原子运动速度很低时， 原子波动性更加明显， 可利用原子的相干性研制原子干涉仪。