激光製冷

激光為什麼能製冷呢？原來，物體的原子總是在不停地做無規則運動，這實際上就是表示物體溫度高低的熱運動，即原子運動越激烈，物體溫度越高；反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運動速度，就能降低物體溫度。激光製冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運動，使其減速，從而降低了物體溫度。

物體原子運動的速度通常在每秒500米左右。長期以來，科學家一直在尋找使原子相對靜止的方法。朱棣文採用三束相互垂直的激光，從各個方面對原子進行照射，使原子陷於光子海洋中，運動不斷受到阻礙而減速。激光的這種作用被形象地稱為“光學粘膠”。在試驗中，被“粘”住的原子可以降到幾乎接近絕對零度的低溫。

在20世紀的七八十年代，物理學家掌握了如何用激光將原子冷卻到非常接近絕對零度的低溫。那個時期最重要的三篇文章都發表在《物理學評論快報》上，它們標誌著這項技術發展過程中的關鍵。1978年，研究者們費盡九牛二虎之力才把離子冷卻到40開爾文以下，但是僅僅十年之後中性原子就可以被冷卻到43微開了。但是冷卻的基本原理並沒有變：用激光作用在原子上使之減速。這項技術的改進使得 物理學家們能夠製備出一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚的量子態物質以及現代高精度的原子鐘，有兩項諾貝爾獎與這一技術有關。

冷卻原子最初是為了降低它們的熱運動速度，以便精確地測量原子光譜，後來則是為了改進原子鐘。早在1978年Dave Wineland及其在國家標準技術局同事們就按照文獻中提出的理論方案成功地用激光冷卻了鎂離子。

正如這個小組在《物理學評論雜誌》的文章中所描述的那樣，他們將離子限制在電磁勢阱中，並用頻率稍低於離子共振頻率的激光轟擊俘獲的離子。在靜止狀態時，離子吸收頻率等於其共振頻率的光子；當離子迎著激光照射的方向運動時，由於多普勒效應激光的頻率會變大，當激光頻率達到離子共振頻率的時候，離子就會吸收光子。由於光子和離子的動量方向相反，離子吸收光子之後其運動速度會降 低從而冷卻，冷卻效應會一直持續下去直到被激光的加熱效應所平衡，加熱效應在有激光的時候總是存在的。在後來的幾年中，加熱效應——它源自原子每次隨機地在各個方向輻射和吸收光子時產生的反衝效應——最終將對所謂的多 普勒冷卻技術能夠將物質冷卻到更低的溫度給出難以突破的限制。

在波士頓的William Phillips懷著極大的興趣讀了Wineland等人的實驗文章以及一篇理論文章。他剛剛在麻省理工學院做完一期博士后，並在國家標準技術局的實驗室找到了一個職位。Phillips回憶說：“冷卻離子的想法使我思考是否有可能冷卻中 性原子。”

在1982年Phillips和來自紐約石溪大學的Harold Metcalf發表了關於用激光冷卻中性原子的第一篇文章。他們把鈉原子送入一個長約六十厘米、開口處越來越寬而越往前越窄的磁場中。鈉酮酮酮 過磁場的時候迎頭碰上頻率與原子共振頻率稍有差異的激光束，多普勒冷卻效應使得原子束中粒子的運動速度被限制在較小的一個範圍內。激光束同時也使得原子束 整體運動的速度減慢。在減速的過程中，不斷改變的磁場造成原子的共振頻率也不斷改變，從而使得在很長的一個距離上減速和冷卻效應能夠一直保持，最終的速度 大小于于次于于為原有速度的百分之四十。這一現在被稱為塞曼減速儀的裝置已經成為原子束減速的標準工具。

激光冷卻技術不斷地被改進，一直到八十年代末，研究者們認為他們已經達到了可能達到的最低溫度——這是根據多普勒冷卻理論計算得到的——對於鈉原子而言這 一溫度極限是二百四十微開。但是在1988年，一個由Phillips領導的小組偶然間發現在這之前三年發展出來的一項技術可以突破多普勒極限。他們用三束相互垂直的激光束來冷卻鈉原子，而且激光頻率和其他實驗室中使用的激光頻率略有不同。他們發現，使用幾項新的溫度測量技術得到 的結果顯示鈉原子的溫度只有43微開。理論物理學家馬上從理論上對這一出乎意料的冷卻機制給予了解釋，這一解釋考慮了更多的原子態以及激光的極化效應；相 比之下之前的冷卻模型就非常簡單化了。

在新理論的指導下，實驗物理學家們獲得了更低的溫度並發展出了更多的冷卻技術。Phillips的亞多普勒冷卻技術（Sub-Doppler Cooling）是1995年製備出玻色-愛因斯坦凝聚——在這種新的凝聚態中，氣態原子全部處於可能的最低能量狀態上——的前奏。

原子鐘技術同樣從這一技術中受益。最新一代的原子鐘使用的技術就直接脫胎於Phillips及其他人於八十年代發展出來的技術。Phillips因為發展出激光冷卻技術而分享了1997年的諾貝爾獎；2001年的諾貝爾獎則授予首次實現玻色-愛因斯坦凝聚的物理學家。

激光冷卻技術的原理可以用右圖說明。圖中激光束a和激光束b相向傳播，光的頻率相同，都略低於原子吸收光譜線的中心頻率，即比原子的共振吸收頻率低一些。現在考慮一個往右方運動的原子A,這個原子是迎著激光束b運動的，根據多普勒效應，這個原子感受到的激光束b的頻率升高，即激光束b的頻率進一步接近了原子的共振吸收峰值的位置。原子從激光束b吸收光子的幾率增大。這個原子的運動方向和激光束a的傳播方向相同，所以它感受到激光束a的頻率減小，根據多普勒效應，這個原子感受到的激光束a的頻率降低，即激光束a的頻率進一步遠離了原子的共振吸收峰值的位置，原子從激光束a吸收光子的幾率減小。這意味著原子A將受到把它往左推的作用力，阻止它往右運動，即原子A的速度減慢。同樣，圖中向左運動的原子B將受到激光束a的推力，阻止它向左運動，運動速度也減慢。那麼，用上下，左右，前後三對這樣的激光束，就可以讓朝各個方向運動的原子都減慢運動速度。而物體的溫度正是由物體分子平均動能的標誌，所以這種方法能夠達到製冷的目的。目前，用這個辦法已經可以把原子冷卻到微開。不管你往什麼地方看，到處都有激光的痕迹。激光束能準確地進行外科手術，就像小小的粒子加速器一樣乾淨利落地工作。它們能在實驗室再生太陽表面的白熱狀態。

還有一件事讓人意想不到，激光能把材料中的熱量逐漸排出，直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。美國的科學家已經研製出激光冷卻器的樣機，他們希望能把這些冷卻器放到衛星上使用。近幾十年來，一種叫做多普勒冷卻的技術一直在用激光冷卻材料，利用光子使原子減速。

利用光使大的物體冷卻的想法是德國物理學家晉林希姆在1929年首先提出的。他的想法是當物質發射熒光時，它會變冷。當分子吸收光時，它的電子就會受激。這個新的狀態是不穩定的，分子必須失去多餘的能量。要做到這一點，可以通過使分子發生永久性化學變化（如拆開一個鍵），或者是將分子升溫，使它和周圍環境變熱。多餘的能量會以光的形式離開分子。

通過熒光離開全部能量，比吸收的能量更多，冷卻便可實現。其方法便是對激光束中光子的能量進行挑選，以便它被材料中那些已經具有某種能量的分子所吸收，以首先實現對這些分子的“加熱”。

利用統計方法可以看到，物質中有一小部分分子總是比其他分子溫度高。當它們吸收光子時，它們就會進入更高一級的能態。在有些材料中這時熒光會把分子帶到比它們原來的能級更低，即更“冷”的振動狀態。離開分子的光於是便比被吸收的光含有更多的能量，這種情況被稱為反斯托克斯熒光。