把原子“藏起来”？这个大胆的想法，成功刷新原子低温纪录

随着原子所能冷却的温度不断降低，物理学家们已经突破了“多普勒冷却极限”，并且逐步逼近“亚多普勒冷却极限”。要想进一步冷却原子，还要克服更多的问题。比如，原子与激光光束之间的散射相互作用，以及自发辐射过程中光子的反冲效应，均有可能会导致原子处于随机行走状态，让原子很难彻底“安静”下来。

也就是说，这些好不容易冷却到近乎静止状态的原子，会在光子的反冲作用下再次加热，从而达到“激光冷却-反冲加热”之间的动态热平衡。

那么，难道说原子所能达到的最低温度只能是“亚多普勒冷却极限”吗？

图一：氦原子（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

01 一个大胆的想法：把原子“藏起来”

当然不是，物理学家们提出了一个大胆的想法：为何不将这些好不容易冷却下来的原子直接“藏起来”，从而避免与激光光束再次发生散射相互作用？这样一来，原子就有机会真正地“冷静”下来，而不会被光子的反冲作用再次加热了。

为了验证这个大胆的想法，物理学家们提出了“速度选择的相干布局囚禁（Velocity Selective Coherent Population Trapping, VSCPT）”这种颇具创意的实验方案。借助这种实验方案，物理学家们就可以让速度几乎为零的原子进入“暗态”，从而避免原子与激光光束发生散射相互作用，并且最终突破了“亚多普勒冷却极限”！

02 将原子藏在哪里？藏在“暗态”里

顾名思义，这里的“暗态”就是指原子处于某一个无法与激光相互作用的特定基态。为了帮助各位读者更好地理解“原子是如何转移到‘暗态’的”这一过程，我们考虑一个最简单的型三能级原子模型：

图3三能级原子进行特定跃迁的示意图

（图片来源：作者自绘）

图4 三能级原子进行自发辐射的示意图

（图片来源：作者自绘）

图5 三能级原子最终转移到“暗态”的示意图

（图片来源：作者自绘）

03 刷新原子的低温纪录——突破“亚多普勒冷却极限”！

俗话说，只有想不到，没有做不到。

为了验证上述这种大胆想法，法国巴黎高等师范学院的克洛德·科昂·搭努吉研究小组在1988年提出了一种名为“速度选择性的相干布局囚禁”的实验方案，并且成功将氦原子（4He）进一步冷却到大约2微开尔文（即10-6 K）的超低温度。

作为对比，氦原子的“多普勒冷却极限”为23 微开尔文，而理论上氦原子的“亚多普勒冷却极限”约为4微开尔文。也就是说，该研究小组刷新了当时氦原子冷却的低温纪录，这标志着物理学家们在实验上突破了“亚多普勒冷却极限”。

图6 氦原子

（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

也许会有读者在思考，上述的“速度选择性的相干布局囚禁”实验方案，如何体现出所谓的“速度选择性”呢？

图7 处于静止状态的氦原子跃迁示意图

（图片来源：作者自绘）

图8 处于运动状态的氦原子跃迁示意图

（图片来源：作者自绘）

在理论上，只要选择精确地调节两束激光的频率等参数，就可以将原子冷却到平均速度很小的运动状态。随着原子与激光的相互作用时间的延长，原子就有可能不断地降低温度直至绝对零度。

04 众望所归的荣誉——1997年诺贝尔物理学奖

对于执着探索低温极限的物理学家们而言，并不满足只将原子冷却到μK量级。他们希望将原子的低温极限进一步推到nK（纳开，即10-9 K ）量级，从而进一步刷新原子冷却的低温记录。

于是在1995年，C Cohen-Tannoudji研究小组再次利用“速度选择性的相干布局囚禁”实验方案，首次成功将氦原子团的三维运动方向上的温度冷却至大约180 nK。随后在1997年，该研究小组又提出了一种全新的温度测量方案，能够直接地测量经过冷却后的氦原子温度。测量结果表明，采用“速度选择性的相干布局囚禁”方案冷却后的氦原子，其最低温度为大约5 nK。

正是凭借着探索原子冷却极限的突出贡献，法国物理学家C Cohen-Tannoudji也在1997年获得了诺贝尔物理学奖，并且获得了当年诺贝尔物理学奖1/3的奖金。

图9 激光冷却技术方案的发展历程图（图片来源：参考文献4）

结语

综上所述，物理学家们凭借着丰富的想象力和精巧的实验方案，将原子的冷却极限从最初的mK量级降低至μK量级，并且最终达到了nK量级的超级低温。

那么对于具有大量原子数目的原子系综，在低温状态下是否也会发生与宏观世界类似的“凝聚现象”呢？其实，这个科学猜想同样也被百年前的两位伟大的物理学家（阿尔伯特·爱因斯坦和S·N·玻色）所讨论过呢。

接下来，请读者思考一下这个百年前的科学猜想能否实现，并且带着好奇在下一篇文章中共同揭开谜底吧！

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

参考文献

[1] （VSCPT）Aspect A, Arimondo E, Kaiser R, et al. Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity-selective coherent population trapping[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(7): 826.

[2] （C Cohen-Tannoudji, 1995-氦原子团-180 nK）Lawall J, Kulin S, Saubamea B, et al. Three-dimensional laser cooling of helium beyond the single-photon recoil limit[J]. Physical review letters, 1995, 75(23): 4194.

[3] （C Cohen-Tannoudji, 1997-一维氦原子团-5 nK）Saubaméa B, Hijmans T W, Kulin S, et al. Direct measurement of the spatial correlation function of ultracold atoms[J]. Physical review letters, 1997, 79(17): 3146.

[4] 庄伟, 李天初. 激光冷却和操控原子: 原理与应用[J]. 科技导报, 2018, 36(5): 28-38.