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?

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:

把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第1张

把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第2张

把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第3张

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图3三能级原子进行特定跃迁的示意图

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图4 三能级原子进行自发辐射的示意图

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图5 三能级原子最终转移到“暗态”的示意图

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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”。

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?

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把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第11张

图7 处于静止状态的氦原子跃迁示意图

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图8 处于运动状态的氦原子跃迁示意图

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把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第14张

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。

把原子藏起来?这大胆的想法 成功刷新原子低温纪录 第15张

图9 激光冷却技术方案的发展历程图

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!

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