原子阱

為了將冷卻下來的原子控制在某個空間小區域內，必須使原子處在一個最小能量區域，即該區域內部原子勢能有極小值，這個區域稱為原子阱。由於原子的電中性，處在定態的原子又沒有偶極矩，但卻有磁矩，所以建立原子阱的首選方案，應由非均勻磁場形成磁阱。由於磁阱太淺，往往與冷卻技術結合起來，先把原子冷卻到1 K以下再進入阱內，至今捕陷原子的時間已達幾十分鐘之久。

基本介紹

• 中文名：原子阱
• 原理：電磁場形成的一種“勢能坑”
• 提出人：朱棣文
• 相關裝置：三維雷射冷卻實驗裝置

原子阱分類

利用“原子阱”，這是利用電磁場形成的一種“勢能坑”原子可以被收集在坑記憶體起來。一種原子阱叫“磁阱”，它利用兩個平行的電流方向相反的線圈構成。這種阱中心的磁場為零，向四周磁場不斷增強。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時勢能最低。偏離中心時就會受到不均勻磁場的作用力而返回。這種阱曾捕獲 1012 個原子，捕陷時間長達 12min 。除了磁阱外，還有利用對射雷射束形成的“光阱”和把磁阱、光阱結合起來的磁 —光阱。

磁阱

四級磁阱是第一個用來成功捕陷中性原子的原子阱，如右圖。

四級磁阱

捕陷程式如下：

用“塞滿冷卻器”預冷卻的Na原子進入磁阱區，用一束對摺的近共振短脈衝擊光造成的“光學粘膠”進一步減速後，立即接通磁場線圈建立磁阱捕陷原子。被捕原子可達 個，捕陷時間為0.8s，原子溫度約17mk，四級磁阱時間已提高到20min。

光阱與磁光阱

用近共振的雷射光場使原子產生感應電偶極矩，再建立一個特定的非均勻光場，通過與它的耦合建立原子阱。

1986年，用一束近共振強聚集的高斯雷射束的焦點區建立光阱，又被一個三維“光學粘膠”預冷，兩者周期性交替作用，光阱捕陷原子數約103個，捕陷時間約2 s。

另一種廣泛使用的原子阱是磁光阱。它在已介紹的四極磁阱的基礎上，另加了三對雷射束沿三個坐標軸交會在磁阱中心。

磁-光阱的工作原理

1987年首次由實驗建立了磁場與光場共同作用的原子阱。

1995年三次實現了鹼金屬原子的捕陷，在歷史上第一次觀測到了玻色一愛因斯坦凝聚這種巨觀量子效應。朱棣文、菲利普斯(William Phillips)與科昂·唐努日(Claude Cohen—Tannoudji)因他們在雷射冷卻技術與捕陷氣體原子技術研究中所作出的突出貢獻，共同獲得了1997年度的諾貝爾物理學獎，其中朱棣文是第五位獲得諾貝爾獎的華人科學家。

主要原子阱的一些典型參數

歷史發展

朱棣文與原子阱

在朱棣文的三維雷射冷卻實驗裝置中，在三束雷射交匯處，由於原子不斷吸收和隨機發射光子，這樣發射的光子又可能被鄰近的其他原子吸收，原子和光子互相交換動量而形成了一種原子光子相互糾纏在一起的實體，低速的原子在其中無規則移動而無法逃脫。朱棣文把這種實體稱做“光學粘團”，這是一種捕獲原子使之集聚的方法。更有效的方法是利用“原子阱”，這是利用電磁場形成的一種“勢能坑”原子可以被收集在坑記憶體起來。一種原子阱叫“磁阱”，它利用兩個平行的電流方向相反的線圈構成。這種阱中心的磁場為零，向四周磁場不斷增強。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時勢能最低。偏離中心時就會受到不均勻磁場的作用力而返回。這種阱曾捕獲 1012 個原子，捕陷時間長達 12min 。除了磁阱外，還有利用對射雷射束形成的“光阱”和把磁阱、光阱結合起來的磁—光阱。

愛因斯坦凝聚

雷射冷卻和原子捕陷的研究在科學上有很重要的意義。例如，由於原子的熱運動幾乎已消除，所以得到寬度近乎極限的光譜線，從而大大提高了光譜分析的精度，也可以大大提高原子鐘的精度。最使物理學家感興趣的是它使人們觀察到了“真正的”玻色 —— 愛因斯坦凝聚。這種凝聚是玻色和愛因斯坦分別於 1924 年預言的，但長期未被觀察到。這是一種巨觀量子現象，指的是巨觀數目的粒子（玻色子）處於同一個量子基態。它實現的條件是粒子的德布羅意波長大於粒子的間距。在被雷射冷卻的極低溫度下，原子的動量很小，因而德布羅意波長較大。同時，在原子阱內又可捕獲足夠多的原子，它們的相互作用很弱而間距較小，因而可能達到凝聚的條件。1995 年果真觀察到了 2000 個銣原子在 170nK 溫度下和 5 × 105 個鈉原子在 2μK 溫度下的玻色 —— 愛因斯坦凝聚。