[科普中国]-原子阱

原子阱分类

利用“原子阱”，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周磁场不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低。偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获 1012 个原子，捕陷时间长达 12min 。除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁阱、光阱结合起来的磁 —光阱。

磁阱四级磁阱是第一个用来成功捕陷中性原子的原子阱，如右图。

捕陷程序如下：

用“塞满冷却器”预冷却的Na原子进入磁阱区，用一束对折的近共振短脉冲击光造成的“光学粘胶”进一步减速后，立即接通磁场线圈建立磁阱捕陷原子。被捕原子可达 个，捕陷时间为0.8s，原子温度约17mk，四级磁阱时间已提高到20min。

光阱与磁光阱用近共振的激光光场使原子产生感应电偶极矩，再建立一个特定的非均匀光场，通过与它的耦合建立原子阱。

1986年，用一束近共振强聚集的高斯激光束的焦点区建立光阱，又被一个三维“光学粘胶”预冷，两者周期性交替作用，光阱捕陷原子数约103个，捕陷时间约2 s。

另一种广泛使用的原子阱是磁光阱。它在已介绍的四极磁阱的基础上，另加了三对激光束沿三个坐标轴交会在磁阱中心。

1987年首次由实验建立了磁场与光场共同作用的原子阱。2

1995年三次实现了碱金属原子的捕陷，在历史上第一次观测到了玻色一爱因斯坦凝聚这种宏观量子效应。朱棣文、菲利普斯(William Phillips)与科昂·唐努日(Claude Cohen—Tannoudji)因他们在激光冷却技术与捕陷气体原子技术研究中所作出的突出贡献，共同获得了1997年度的诺贝尔物理学奖，其中朱棣文是第五位获得诺贝尔奖的华人科学家。2

历史发展朱棣文与原子阱在朱棣文的三维激光冷却实验装置中，在三束激光交汇处，由于原子不断吸收和随机发射光子，这样发射的光子又可能被邻近的其他原子吸收，原子和光子互相交换动量而形成了一种原子光子相互纠缠在一起的实体，低速的原子在其中无规则移动而无法逃脱。朱棣文把这种实体称做“光学粘团”，这是一种捕获原子使之集聚的方法。更有效的方法是利用“原子阱”，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”原子可以被收集在坑内存起来。一种原子阱叫“磁阱”，它利用两个平行的电流方向相反的线圈构成。这种阱中心的磁场为零，向四周磁场不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低。偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获 1012 个原子，捕陷时间长达 12min 。除了磁阱外，还有利用对射激光束形成的“光阱”和把磁阱、光阱结合起来的磁—光阱。

爱因斯坦凝聚激光冷却和原子捕陷的研究在科学上有很重要的意义。例如，由于原子的热运动几乎已消除，所以得到宽度近乎极限的光谱线，从而大大提高了光谱分析的精度，也可以大大提高原子钟的精度。最使物理学家感兴趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色 —— 爱因斯坦凝聚。这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于 1924 年预言的，但长期未被观察到。这是一种宏观量子现象，指的是宏观数目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长较大。同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们的相互作用很弱而间距较小，因而可能达到凝聚的条件。1995 年果真观察到了 2000 个铷原子在 170nK 温度下和 5 × 105 个钠原子在 2μK 温度下的玻色 —— 爱因斯坦凝聚。