一次震惊科学家的意外发现：原子究竟可以多“高冷”？

相信在前文《你没看错！激光真的可以冷却粒子！》中，大家已经知晓了原子的减速过程是原子和光子相互作用的结果。在这个减速过程中，原子首先会吸收迎面而来的光子，并且因为碰撞作用而减速；随后，原子便会发射一个全新的光子，这就是所谓的“受激辐射”过程。

原子在受激辐射中“吸收”和“发射”光子的示意图（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

此外，物理学家们也对三维空间中的原子团，在6个方向同时施加激光光束，从而实现原子团的冷却和囚禁过程。然而，此时的原子仍然处于随机行走的状态，而无法真正的静止下来。因此，理论上原子所能冷却到的最终温度取决于多普勒冷却与随机加热之间的平衡，也就是“多普勒冷却极限”（通常在几百个uK量级）。

其实，上述的几百个uK已经是非常低的温度了，如果换算成我们生活中熟悉的摄氏温度，相当于不到-273.149 °C（即绝对零度以上不到0.001 K）。然而，就在当时大多数的物理学家认为已经达到了原子的极限低温时，一个意外的发现却再次刷新了他们对原子的认识！

01 创造历史的意外发现：竟然轻松突破了“多普勒冷却极限”？

1987年，美国国家标准和技术研究所（NIST）的威廉·菲利普斯研究小组在对钠原子团施加“多普勒冷却”方案时，意外地观察到钠原子团竟然被冷却到的超低温度。

起初，威廉·菲利普斯小组以为只是实验上的失误导致钠原子团的温度测量出现了偏差。随后，他们采用三种不同的测量方式来验证实验结果，却惊讶地发现经过冷却后的钠原子团温度确实低于理论上的“多普勒冷却极限”。这个意外的实验发现经过其他同行的严格评议后，次年发表在物理学国际顶尖期刊《Physical Review Letters》上。

得益于这次意外的发现，物理学家们敏锐地意识到原先的多普勒冷却理论已经不足以解释这种新奇的实验现象。于是，在1988年至1989年期间，斯坦福大学的朱棣文小组和法国巴黎高等师范学院的科昂·塔努吉小组分别独立地对这一全新现象进行了全面分析。他们在理论上充分考虑了原子内部更加精细的能级结构、激光光束的光学偏振性质等因素，最终成功解释了这种突破“多普勒冷却极限”的奇异现象。

于是，物理学家们开始不断优化实验参数，尝试进一步降低原子团的冷却温度。在1989年，朱棣文小组将钠原子团的冷却温度进一步降低至15 uK -30 uK的范围。同年，来自美国国家标准和技术研究所的克里斯托夫·韦斯特布鲁克研究小组也在实验上成功将钠原子团的温度降低至大约20 uK。随后在1990年，法国物理学家克莱龙和格拉蒂等人将冷却的对象从钠（Na）原子转变成全新的铯（Cs）原子系统，并且对铯原子团成功实现了的超级低温。

那么，原子系统中究竟又蕴藏了怎样的秘密，才能吸引无数的物理学家来不断地深入探究其冷却原理，并且一次又一次地刷新物理学家们对于原子的已有认知呢？

02 “意外发现”的背后——原来是小看了熟悉的原子！

其实，在之前讨论原子的受激辐射过程时，我们只考虑了原子内部的基态和激发态这两种能级之间的跃迁，这是一种最简单的二能级系统的原子模型。通常情况下，处于基态的原子吸收撞击的光子后，会发生“基态→激发态”的原子跃迁过程。随后，原子会再次经历“激发态→基态”的反向过程，从而完成一次完整的受激辐射循环。

原子的“受激辐射循环”示意图（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

然而，真实的原子结构并非是简单的二能级系统。通常情况下，原子的基态具有多个能量接近的子能级，这种结构被称为“超精细能级结构（Hyperfine Structure）”。此外，每种原子的内部还存在着自身独特且复杂的能级结构，从而进一步增加了驱动原子完成每一次受激辐射循环的实验难度。因此，如果不仔细考虑原子内部的超精细结构，原子就有一定的概率掉落到无法再次循环的基态子能级中，而这种令人头疼的基态子能级也被称为“暗态”。

为了让原子的受激辐射循环不要因为“暗态”的阻碍而“罢工”，物理学家们不得不在激光光束中施加额外的偏振调制。这样一来，原子就能够完成“暗态→激发态”的共振跃迁过程，从而恢复到受激辐射的循环中，并不断被激光光束所冷却。得益于这种技术的成功应用，原子的冷却温度能够突破“多普勒冷却极限”，并且极大地推动了原子冷却技术的发展，因此也被称为“亚多普勒冷却”方案。

读到这里，可能会有读者已经开始困惑了，这里的激光偏振调制又是什么？不过没关系，我们接下来举一个例子来方便各位读者理解上述的“亚多普勒冷却”的过程。

03 原子的亚多普勒冷却——痛苦的“西西弗斯”循环

处于“西西弗斯”冷却循环中的原子示意图

（图片来源：NobelPrize.org.）

因此，物理学家们只需要在空间中精确地调制好激光光束的偏振状态等参数，就可以让这个铷原子在一次又一次的循环中不断地耗散自身的能量。在物理学家们看来，这个铷原子仿佛是希腊神话中每日重新推着巨石到山顶的西西弗斯一样，也只能不知疲倦地不断重复这一减速过程。因此，这种利用激光光束的偏振梯度来不断冷却原子的亚多普勒冷却方案，也被形象地称为“西西弗斯（Sisyphus）冷却”。

结语：逼近光子反冲的冷却极限

经过上述的分析我们不难发现，原子经历过“西西弗斯冷却”的不断循环后，仍然会受到自发辐射过程中光子的反冲作用力。只是相较于单纯的多普勒冷却而言，原子会更加高效地完成受激辐射的冷却循环过程。

通常而言，原子经过“西西弗斯冷却”后的平均温度，会比多普勒冷却的温度极限低10~100倍。也就是说，原子的“西西弗斯冷却”极限温度大约为几个uK的量级，这相当于绝对零度以上不到0.00001K。虽然原子还没有达到绝对零度的完全静止状态，但是如此低的温度已经满足早期大多数的原子物理实验需求。

然而，喜欢较真的物理学家们心中有一个执着的信念，那就是希望再次突破光子反冲作用导致的冷却极限，从而将原子的冷却温度降至新低。

作者：栾春阳 清华大学物理系博士

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

出品：科普中国

监制：中国科学技术出版社有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司

参考文献

[1] (亚多普勒冷却) Lett P D, Watts R N, Westbrook C I, et al. Observation of atoms laser cooled below the Doppler limit[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(2): 169-172.

[2] Dalibard J, Cohen-Tannoudji C. Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: Simple theoretical models[J]. Journal of the Optical Society of America B, 1989, 6(11):2023-2045.

[3] Ungar P J, Weiss D S, Riis E, et al. Optical molasses and multilevel atoms: Theory[J]. Journal of the Optical Society of America B, 1989, 6(11): 2058-2071.

[4] Weiss D S, Riis E, Shevy Y, et al. Optical molasses and multilevel atoms: experiment[J]. JOSA B, 1989, 6(11): 2072-2083.

[5] Salomon C, Dalibard J, Phillips W D, et al. Laser cooling of cesium atoms below 3 μK[J]. Europhysics Letters, 1990, 12(8): 683.

[6] The Doppler limit. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2024. Thu. 4 Apr 2024.