現(xiàn)代光學(xué)多普勒冷卻偏振梯度冷卻

偏振梯度冷卻摘要：在光學(xué)粘膠中冷卻原子，可達到多普勒冷卻極限溫度，這時，再通過減弱激光強度和增大失諧量來繼續(xù)冷卻原子，能使其溫度低于多普勒冷卻極限，即亞多普勒冷卻。本文從科學(xué)家偶然打破多普勒極限溫度出發(fā)，著重介紹了偏振梯度冷卻的發(fā)現(xiàn)，偏振梯度冷卻的冷卻原理，并旦簡單介紹了VSCPT和拉曼躍遷冷卻的提出。關(guān)鍵詞：偏振極限溫度 相干布陷 拉曼躍遷正文：1985年，朱棣文用三對相互垂直的激光束把鈉原子氣體溫度冷卻到240“K,這個結(jié)果與理論預(yù)言的多普勒極限基本相符。在這種激光場中，原子受粘滯力而被冷卻，受梯度力而被囚禁于光束交匯處。這里的囚禁類似于微粒在粘稠液體中作布朗運動，光場中原子的運動速度很慢，擴散速度大約為Icm/s,而沒有光場，擴散速度約為法cm/ms,因此將這種激光束稱為“光學(xué)粘膠”(0M,opticalmolasses)。實際上用三維“光學(xué)粘膠”冷卻原子不僅包括多普勒冷卻機制，還包括另一種冷卻機制一偏振梯度冷卻。偏振梯度冷卻的發(fā)現(xiàn)1988年，美國國家標準與技術(shù)研究所和美國貝爾實驗室同樣在“光學(xué)粘膠”中，采用飛行時間法測得鈉原子的冷卻溫度為40“K,遠低于多普勒冷卻極限240狀。他們先用S.Chu的方法把原子冷卻到多普勒極限，再通過增大原子對激光場的失諧量$和減弱激光的強度，使原子繼續(xù)被冷卻，就可突破多普勒極限溫度。這種方法后來就叫做偏振梯度冷卻，即亞多普勒冷卻。美國的S.Chu小組和法國的C.Cohen-Tannoudji小組分別對艷原子和亞穩(wěn)態(tài)的新原子進行驗證，測得原子溫度也遠低于多普勒極限。上海光機所得到冷卻鈉原子的一維溫度為60郵,也低于多普勒極限溫度。剛開始這些實驗結(jié)果很難讓人們接受，但眾多的實驗事實使大家相信，多普勒冷卻機制已被打破，必須用新的機制或新的理論來解釋這些令人迷惑的結(jié)果。1988年，S.Chu小組和C.Cohen-Tannoudji小組分別提出了偏振梯度的運動誘導(dǎo)冷卻機制和偏振梯度誘導(dǎo)冷卻機制，合稱之為“偏振梯度冷卻機制”。在這種冷卻機制下，如果給定原子對激光場的失諧量凱光強越低，偏振梯度冷卻的極限溫度越低；如果給定光強，失諧越大，溫度越低。因此，適當?shù)剡x擇失諧量和降低光強，極限溫度可任意減小。極限溫度滿足公式如丁花龍Q2/8IM，其中Q是拉比頻率，正比于光場強度。當然，這種冷卻機制不可能使原子氣體的極限溫度為零，但是它能夠得到的極限溫度比多普勒冷卻機制得到的低得多，約為兒個“K量級。偏振梯度冷卻的基本原理下面以堿金屬原子為例來說明偏振梯度冷卻的冷卻機制。首先，堿金屬原子基態(tài)存在多個簡并子能級，光抽運的結(jié)果使原子在各基態(tài)子能級上重新分布并達到穩(wěn)態(tài)，這種布居與激光的偏振有關(guān)；其次，由于交流斯塔克效應(yīng)，導(dǎo)致原子基態(tài)子能級的移動，即光頻移，其頻移大小與光強、失諧量、偏振和振子強度有關(guān)；在三維的“光學(xué)粘膠”中不可避免地存在多光束的干涉，激光的偏振方向在一個波長距離內(nèi)變化。圖1lin_Llin叩態(tài)下的Sisyphus冷卻效應(yīng)如圖1(a)所示，兩束偏振方向相互垂直的同頻率線偏振激光對射，由于光的干涉效應(yīng)，沿著傳播方向光的偏振按照左旋圓偏振一線偏振一右旋圓偏振一線偏振一左旋圓偏振的規(guī)律以二分之一波長為周期交替。這樣，如圖1(b)所示，原子在基態(tài)各個子能級的布居數(shù)和子能級的光頻移均與原子所處的空間位置有關(guān)，基態(tài)子能級的光頻移也呈周期性交替。當原子靜止時，布居數(shù)在波峰和波谷的分布是對稱的。但當原子運動時，就被破壞了這種對稱性，因而產(chǎn)生了原子需要爬坡以提高自己勢能而受到阻尼力。關(guān)鍵的問題是，完成光抽運效應(yīng)需要一定的時間,這段時間里原子運動到波峰，經(jīng)光抽運乂弛豫到波谷。與此同時原子發(fā)射了一個能量高的光子，即原子爬坡得到的勢能，以發(fā)射光子的方式將能量散發(fā)出去，損耗了動能。當原子繼續(xù)運動時，乂重復(fù)同樣的爬坡過程。就像希臘神話中的西西弗斯的故事(Sisyphus,墮入地獄的暴君，被罰推石上山，石近山頂卻乂滾下，再推再滾，循環(huán)不己)，原子總是在爬坡，不斷將部分動能轉(zhuǎn)化成為勢能，而乂以發(fā)射光能的方式損耗了這部分能量，達到降低原子速度的目的。因此偏振梯度冷卻也稱為Sisyphus冷卻。偏振梯度冷卻極限溫度決定于加熱速率與冷卻速率的平衡，在給定失諧量S的條件下，光強愈低，溫度愈低；在給定光強的條件下，失諧越大，溫度愈低。因此，適當?shù)剡x擇失諧量和降低光強，極限溫度可無限減小。龍Q2knTN B8|5|其中Q是拉比頻率，6是失諧量。速度選擇相干布居數(shù)囚禁(VSCPT)和拉曼躍遷冷卻(RamanCooling)的提出由偏振梯度冷卻的極限溫度公式可知，使極限溫度為零是不可能的?？茖W(xué)家要挑戰(zhàn)的另一個極限溫度，即光子反沖極限Tr,就是原子放出一個光子得到的反沖動量。kBTB=T]2k2/2M對鈉原子極限溫度為2.4//K，對釧原子為0.37//K,對艷原子為0.2//K。為突破光子反沖極限溫度，法國的研究小組和美國斯坦福大學(xué)的研究小組分別提出了速度選擇相干布居數(shù)囚禁(VSCPT,VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping)和拉曼躍遷冷卻(RamanCooling)的冷卻方案。VSCPT法是把速度為零的原子選擇性捕獲的一種辦法，在A型三能級系統(tǒng)中，兩個基態(tài)在雙光子拉曼過程作用下處于相干疊加態(tài)，當速度近于零的原子進入這個“暗態(tài)”時，原子與光場脫耦，不再受光場的激發(fā)，因而被束縛于“暗態(tài)”?？瓢?唐努日的研究小組在1988年利用速度選擇相干布居數(shù)囚禁的方法把亞穩(wěn)態(tài)的新原子一維冷卻到2//K,僅為反沖極限的一半。1994年他們乂對氮原子實現(xiàn)了二維VSCPT冷卻，得到250nK的冷原子；1995年乂實現(xiàn)了三維冷卻，溫度為180nK。斯坦福大學(xué)的朱棣文小組用拉曼冷卻方法把鈉原子一維冷卻到100nK,是反沖極限的1/10,他們還實現(xiàn)了二維和三維以及光阱中的