低温物理学

光照物体就可以降低物体的温度，这种想法完全违反直觉。这甚至让物理学家感到惊讶。第一次原子物理学家哈尔·梅特卡夫听说了我们现在所知的“激光冷却”概念，他确信演讲者——一个年轻的博士生，名字是比尔·菲利浦斯——胡说八道。梅特卡夫现在是美国纽约石溪大学的杰出教学教授，他回忆道：“我以我最专业的方式教训了他，说‘看，如果你给系统注入能量，它就不会冷却’。”他说：“坐下，梅特卡弗，你有一些东西要学。”

梅特卡夫最初的困惑是可以理解的。虽然使用能量来冷却某些东西当然是一种常规做法——这是冰箱里发生的事情——但有一种想法，那就是只用光来冷却颗粒气体，使其温度比绝对零度高出几分之一度，这甚至会让有经验的物理学家挠头。温度是衡量任何系统中粒子平均能量的指标，在物理学和流行文化中，我们通常认为激光是为系统增加能量的工具：将电子提升到更高的轨道，或在科幻电影中将宇宙飞船爆炸成蒸汽。用聚光灯照射气体，反而会带走气体的部分能量，这似乎是不可思议的。

然而，由于一些诺贝尔奖的关注和独创性，激光冷却是非常可能的，其回报是巨大的。在梅特卡夫试图说服菲利普斯相信它行不通的近50年里，激光冷却彻底改变了原子、分子和光学物理领域。原子和离子的激光冷却使原子钟的精度大大提高，允许对基础物理进行新的测试，并通过全球定位系统（GPS）对基于时钟的导航进行潜在改进。它为研究超流体和超导等量子力学现象开辟了新的途径，帮助我们探索传统材料无法轻易获得的状态。

最近，它为量子信息和量子计算的研究提供了当前最好的平台之一，量子计算现在是最热门的技术领域之一，吸引了政府机构和大公司数十亿美元的资金。将原子冷却到绝对零度以上的百万分之一或十亿分之一度以内，可以以前所未有的精度测量其量子性质和性质。所有这些都使原子和分子物理学处于量子科学的前沿。

像往常一样，一切都归于爱因斯坦

激光冷却背后的基本物理可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）1917年的观察，即光子是光的基本“粒子”，必须携带动量，而这种动量可以用来改变原子的运动。1933年，Otto Frisch在巡回强制执行利用钠蒸气灯发出的光偏转钠原子束的实验。然而，偏转的程度（大约1毫米）很小，所以用光推动原子旋转的想法仍然是一种好奇。这种情况一直持续到1960年，当时激光的发明引入了一种足够明亮的光源，可以产生大量的力。

阅读更多信息

用冷原子驯服光

用光操纵物质的研究始于亚瑟·阿斯金他是贝尔实验室（Bell Labs）的物理学家，20世纪60年代末处于鼎盛时期，是创新和基础研究中心。当时，电信公司付钱给某人研究原子上的光力的概念并不像今天那么奇怪。阿什金当时的同事回忆道：“基本上，我们得到的指示是‘你可以做任何你想做的事，但必须是世界级的’。”约翰·比约克霍姆他继续对用于制造最先进计算机芯片的紫外线光刻技术进行了世界级的研究。

多亏了一些后台计算，阿什金意识到激光光子从微观物体上反弹产生的力可能非常大。在鼓励下，他开始在水中试验氩激光器和聚苯乙烯珠。正如预测的那样，激光将珠子推入水中，并将其固定在容器的下游窗口上（图1）。

阿什金于1970年发表了他的第一个结果，证明了激光既可以加速珠子，也可以将它们困在两束反向传播的激光束之间的区域。在随后的几年里，他和贝尔实验室的同事们继续演示了用垂直光束悬浮小物体，以及将小物体捕获在紧密聚焦的激光束中心。后一种技术允许通过移动焦点来操纵粒子，现在被称为“光镊子”。自那以后，阿什金在生物学中发现了许多应用，并于2018年因“光镊及其在生物系统中的应用”而获得了一半的诺贝尔物理学奖。

从镊子到冷却器

阿什金的工作启动了对微观物体上光力的研究，但对于较小的物质块，指挥棒传递给了另外两个小组：一个小组由西奥多·哈恩斯奇和阿瑟·沙罗在斯坦福大学（每个人都会因激光光谱学的研究获得各自的诺贝尔奖，1981年获得沙罗奖，2005年获得哈恩斯克奖）德默尔特和戴夫·温兰德在华盛顿大学。这两个小组的论文发表于1975年（后者是一篇会议简报的摘要，因为Dehmelt与评论员的不良经历），他们考虑的情况表面上非常不同。当Hänsch和Schawlow思考激光对中性原子的影响时，Wineland和Dehmelt关注的是电磁阱中的离子。

不管怎样，关键物理都是一样的。如果激光被调谐到刚好低于特定粒子吸收频率（“红失谐”）的光频率，静止的原子或离子将不会吸收其光。然而，当粒子逆着光“向上游”移动时，它们“看到”光的多普勒频率向上移动，并更有可能吸收光子。当这种吸收发生时，产生的动量“踢”必然与原子或离子的速度方向相反，因此粒子减慢（图2）。最终的结果是，激光只会减缓速度；它永远不会加快速度。速度的降低对应于温度的降低，温度是气体中原子平均能量的量度。

1977年，三位苏联科学家（Vladilen Letokhov、Vladimir Minogin和Boris D Pavlik）发表了对冷却力的第一个完整描述，包括对最低可达到温度或“多普勒冷却极限”的推导光学通信 1972). 随后进行了大量其他计算，所有计算都表明下限为1毫开尔文或高于绝对零度几百微开尔文。这一期望将为社区未来十年的大部分时间制定目标。正如我们将在这段历史的第二部分中看到的那样，这将被证明是大错特错的。

激光耳语器和离子捕捉器

1975年底，Wineland搬到了科罗拉多州的博尔德，并在当时的国家标准局（1988年更名为国家标准与技术研究所，简称NIST）任职。这份新工作有着丰厚的研究经费和极大的自由度。虽然温兰德的主要职责是支持和评估铯原子束钟（当时美国的主要频率标准），但他回忆道，“雇用我的人想尝试这些新东西，比如激光冷却”。

在老板的支持下海军研究处，Wineland开始了一项激光冷却捕获离子的实验。这需要三个要素：他从与Dehmet的合作中了解到的离子陷阱；包含陷阱的真空系统，确保只存在感兴趣元素的离子（因为冷却机制取决于原子的特征频率，所以其他元素不会受到光的影响）；还有一个激光系统来冷却捕获的离子。据他自己承认，温兰德“对激光一无所知”，因此他招募了NIST化学家鲍勃·德鲁林格（Bob Drullinger）担任该实验的“激光运动员”。德鲁林格说：“当时激光还很原始，不需要太多技巧就可以被视为激光窃窃私语者。”

Drullinger组装了一个系统，该系统可以产生足够的紫外线，对镁离子样品进行激光冷却。即使在今天，这也不是一个简单的过程，在1977年，这是一个重大挑战。根据德鲁林格的说法，在他和温兰德准备首次尝试冷却离子之前，他花了大约六周的时间，从一个空房间和板条箱中的大量设备开始，进行了大量的努力。

最初的实验使用了大约50000个被捕获的镁离子云。为了监测离子的行为，德鲁林格和温兰德测量了离子在陷阱电极中随机运动产生的电流。离子移动得越快，产生的电流就越大，因此它们产生的信号基本上是随机噪声，其总体水平取决于离子云的温度。

德鲁林格回忆道，仪器组装的第一个晚上，他们几乎是半夜才准备好一切。我们将再次看到中性原子的冷却，这对于此类实验来说是相当典型的。温兰德和德鲁林格点燃了陷阱，打开激光器，立刻看到了他们所期待的冷却信号。“我们做了第一次扫描，砰的一声！就在那里，”德鲁林格回忆道。当用红调激光照射时，热运动产生的噪音急剧下降，低到甚至无法估计离子的温度。当他们改变激光频率使其蓝调谐时，被捕获的离子就如预期的那样加热了。这是一次巨大的成功。

从高兴到失望，再回来

当然，事情并没有那么简单。在进行了初步测量后，温兰德和德鲁林格称之为夜晚。第二天，信号更加糟糕；激光产生了效果，但没有那么引人注目。第三天晚上，他们什么也没看到。虽然电子信号显示离子被捕获，但激光器似乎什么也没做。

困惑和失望的是，他们拆除了设备并进行了重建。最终，他们发现了问题：他们已经耗尽了镁的供应。事实上，在他们继续捕获离子的努力中，他们将失效镁源（在这个领域通常被称为“烤箱”）的温度推得太高，以至于钠离子开始从真空室的玻璃口沸腾。钠和镁的原子质量几乎相同，所以捕捉离子的信号看起来很相似，但它们吸收的光的频率相差很大，所以温兰德和德鲁林格没有冷却任何东西也就不足为奇了。他们及时地给放射源重新装上了镁，一旦他们重新捕获正确的元素，冷却信号就会恢复。

Wineland和Drullinger写下了他们的结果并提交给物理审查信函(401639)奇怪的是，德国海德堡的一个敌对小组也在进行激光冷却实验（由来访的Dehmelt协助），这两个小组的论文分别于一天到达该杂志：首先是海德堡小组关于钡离子的论文，然后是博尔德三人组关于镁的论文。但幸运的是，海德堡报纸的编辑过程(物理学。修订稿。 41233)1978年6月，《Wineland，Drullinger and Walls》率先印刷。

我转过身对戴夫说：“我们该怎么办？”慢慢地，他的脸上露出了一丝笑容，他说：“斯德哥尔摩”

鲍勃·德鲁林格

有时，需要一段时间才能弄清楚一项发现的全部意义。这一次，它几乎是立竿见影的。在第一个深夜，德鲁林格回忆说，他和温兰德花了一些时间“坐在那里享受这一刻。我们坐在桌子的对面，房间里很暗，只有激光的辉光。我急切地想进入下一步，但我无法立即弄清楚这是什么。所以我转向戴夫，说‘我们从这里走到哪里去？’？“慢慢地，他的脸上露出了一丝笑容，他说，‘斯德哥尔摩’。”

温兰德是对的。在2012年，他获得了诺贝尔物理学奖“用于能够测量和操作单个量子系统的开创性实验方法”。

中性原子的问题

然而，Wineland的奖项并不是第一个授予NIST物理学家激光冷却的诺贝尔奖。这一荣誉是在20世纪80年代中期，按时间顺序在美国的另一边实现的。就在温兰德的团队在博尔德起步的同时，比尔·菲利普斯（Bill Phillips）正在麻省理工学院（MIT）完成博士学位。在菲利普斯辩护后的庆祝活动上，他的导师开玩笑说，他在博士期间做了一个关于激光的辅助项目，这很好，因为如果他唯一的工作是关于磁共振的原始项目，他最终会“被困在国家标准局”。

事实上，菲利普斯最终进入了美国国家标准局，但在马里兰州的盖瑟斯堡，而不是科罗拉多州的博尔德。和温兰德一样，他被雇来参与一个核心项目——改进电流单位安培的测量——并同意他可以花一些时间，用他的话说，“玩弄原子物理”。于是他建立了一个小型实验室，用激光冷却钠原子。

菲利普斯的灵感来自1978年的一篇论文，其中阿什金提议在两束紧密聚焦的激光束之间捕获中性原子(物理学。修订稿。 40 729). 中性原子比离子更难捕获，离子的电荷意味着它们受到磁场或高压电极的巨大作用力。在没有电荷的情况下，唯一容易施加到原子上的力来自散射力（光子被吸收时的动量传递）和偶极力（在光的存在下降低原子的内能，从而将其拉入光束的中心）。这两者都相对较小。因此，制作一个足够强大的光阱来捕捉热蒸汽中快速移动的原子是一件棘手的事情。

尽管如此，菲利普斯还是被这个想法打动了。他甚至在麻省理工学院做博士后的时候对这个问题进行了简短的探索，结果得出结论，这个问题比他最初想象的要复杂，最好等到他有自己的实验室时再去研究。他的试运行遇到了两个问题，一个是普遍存在的简单激光冷却图片。其中之一就是使冷却成为可能的多普勒频移。钠原子束以接近1000米/秒的速度从烤箱中射出，这会在减缓束流所需的光的频率上产生巨大的多普勒频移。但随着原子吸收光子并放慢速度，多普勒频移减小，冷却效果降低。在每秒减少几米后，原子不再吸收光，速度减慢了。

第二个问题是，多普勒冷却概念设想原子只有两个能级：基态和激发态。但真正的原子有多个低能态，其中只有一个能吸收激光的光。因此，经过几个光子吸收和再发射周期后，原子倾向于衰变为“暗”状态，并停止与激光的相互作用。

一个非常好的主意

当菲利普斯准备再次尝试冷却原子时，其他研究小组已经发现了一些潜在的修复方法。事实证明，多状态问题相对容易解决：在实验中添加第二个“再脉冲”激光器，可以使原子从暗态返回到亮态，从而恢复减慢。修复多普勒频移更为棘手。可能的解决方案包括在慢光束中使用广泛的频率范围（“白光冷却”）和扫描冷却激光的频率以跟踪变化的多普勒频移（“啁啾冷却”），但这两种方法都需要对激光源进行昂贵而复杂的修改。

在与梅特卡夫协商后，菲利普斯选择了第三种方法，他称之为“我有过的唯一好主意”。他没有调整激光的频率来匹配原子变化的速度，而是使用磁场来调整原子的频率以匹配激光的频率。这是可能的，因为塞曼效应：置于磁场中的中性原子可以看到其能级上下移动的幅度取决于磁场的强度（图3）。

由于塞曼位移，锥形磁场可以补偿原子减速时多普勒位移的变化。在靠近烤箱的地方，原子运动非常快，多普勒频移很大，场非常大，导致很大的能量转移。在原子缓慢移动的远端，场要小得多，多普勒和塞曼位移都很小。在正确选择场的情况下，相同的激光束会与两组原子相互作用，从而延长冷却过程。

菲利普斯的妙笔还有一个好处。除了补偿多普勒频移外，所谓塞曼减慢器的磁场还以几乎完全不需要重新激励的方式改变了原子的能级。一束激光照射在锥形电磁铁的孔中，仅使用散射光就可以使钠原子束接近完全停止。“其他一切都是运气，”菲利普斯反思道，“但塞曼减速实际上是个好主意。”

在磁阱中捕获原子

菲利普斯和梅特卡夫接下来将注意力转向了原子的捕获。他们在真空室内放置了两圈电线，使原子与周围环境隔离，从而产生了一个中心最小的磁场。结果再次是塞曼位移，但这一次它弱俘获原子，并使其变慢。为了使原子从中心移出，它必须增加其轨道电子的能量，而这样做的能量必须来自于它的运动，使它减速。最后，它停下来并反转方向，回到陷阱的中心。

就像几年前的温兰德和德鲁林格一样，菲利普斯和梅特卡夫在深夜首次尝试磁捕集。菲利普斯说：“每件事都会在深夜发生，因为如果你能在深夜之前把所有事情都做好，那么你就已经完成了实验，但你必须先学会如何让所有事情都正常运转。”

在这种情况下，每次实验运行都包括打开激光器一秒钟，使原子减速，然后关闭激光器，打开磁阱，然后再等待几十毫秒，然后再闪烁另一个激光脉冲，以寻找囚禁在阱中的原子发出的荧光。激光脉冲的序列是由一个旋转的纸板盘控制的，在适当的地方刻上了洞——菲利普斯开玩笑说：“这真是史前时代”——经过漫长的一天，他们终于找到了所有的时间。

不幸的是，他们没有看到任何原子。菲利普斯回忆道：“所以我们说，‘好吧，我们吃点东西吧。’”。当他们回来后，他们重新打开了系统。很快，一切都正常了。在漫长的一天中，通过磁阱线圈的高电流逐渐加热线圈，足以降低腔室内的真空度。因此，本应被捕获的慢钠原子被与线圈中沸腾的无关“背景”原子的碰撞击倒。但在菲利普斯和梅特卡夫的深夜快餐休息期间，线圈冷却，真空恢复，所以一切都按照设计进行。

在这一成功的鼓舞下，梅特卡夫在图表记录器轨迹上潦草地写下了“哇！”，显示出荧光信号，证实了磁阱正抓住从慢原子装载的原子。然后这对搭档通宵达旦地工作。日出时，他们回到菲利普斯的家。梅特卡夫回忆道：“我们在冰箱里四处寻找，发现了一些冰淇淋。（菲利普斯的妻子）简下来说，‘那个冰淇淋是给孩子们的！你们在做什么？’于是我们告诉她，‘好吧，我们度过了一个美好的夜晚，我们正在庆祝。’”

他们赢得了冰淇淋。菲利普斯和梅特卡夫关于中性原子第一次磁捕集的论文发表于1985年(物理学。修订稿。 542496). 十多年后的1997年，它帮助菲利普斯获得了诺贝尔物理学奖的一部分，“因为他开发了用激光冷却和捕获原子的方法”。

三位诺贝尔奖得主的故事

因此，早年的激光冷却是三项诺贝尔奖的故事：阿什金证明了用光操纵小物体是可能的；温兰德将原理推广到离子；以及菲利普斯的研究成果，表明原子也可以被光子束捕获和驯服。但在20世纪80年代中期，新的研究人员加入了激光冷却这一新兴领域，带来了冷却和俘获的新技术和技术，其中一些技术的效果会比理论所说的更好。原子、分子和光学物理的革命进程才刚刚开始。

• 阅读激光冷却历史的第二部分作者：Chad Orzel