1. 前言

1960年美国物理学家TH梅曼制造了世界上第一台红宝石雷射器，从此人们便可获得优良单色性、方向性好、高亮度的光。原子受激辐射产生的光，即“激光”，是二十世纪人类最伟大的发明之一。雷射广泛应用於社会各个领域，医学、军事、通讯、工业，创造了许多新兴产业也改变了许多传统产业。

雷射冷却是利用雷射和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温度原子的高新技术。温度的本质是自由运动粒子密度和自由粒子平均动能的度量，粒子运动越快，物体越热温度越高；粒子运动越慢，物体温度越低，为了不断降温达到绝对零度，降低自由粒子的运动速度成了唯一的方法。早在20世纪初就发现光对原子有辐射压力，利用雷射可以加速原子同样也可以使原子减速。




在现代物理中，许多实验工作如原子钟，囚禁原子离子，都需要对粒子进行控制，首先就要放慢它们的速度，提高测量的精度，雷射冷却广泛应用於冷原子物理中，这项技术使得操纵和控制单个原子成为可能，也能减少在热原子中由於原子无规则热运动与碰撞带来的测量误差。 1997年诺贝尔物理学奖颁给了美国华裔物理学家朱棣文、科恩·塔诺基和法国的威廉·菲利普斯，以表彰他们发现了激光冷却和捕获原子的方法。


2. 如何把原子冷却下来

2.1 多普勒技术－雷射减速原子

雷射冷却涉及光的多普勒效应光的动量原子能阶量子化以及原子对光子的随机吸收。从上世纪七、八十年代以来，科学家就能利用一种叫做多普勒冷却的技术来冷却原子。例如用一对相向运动的雷射光束，先将原子至於两束雷射之间，雷射的频率要略低於原子吸收光谱线的中心频率，假设原子向其中一边的A雷射移动，由於多普勒效应，原子感受到的雷射光束频率升高，原子吸收来自A雷射的光子的几率增大，同样的对於另一边的B雷射，感受到原子光，如果有上下、左右、前后各个方向的雷射光束就能将朝各个方向移动的原子都减慢速度，达到原子冷却的目的。所谓多普勒效应，想像一下，当你听到一个车辆鸣笛，它接近时声音会高，远离时声音会低，这就是多普勒效应。在多普勒冷却中，原子会因为多普勒效应而变慢，就好像被一个微型「雷射煞车」煞车了一样。透过这种技术能将原子冷却到绝对温度以上1nK。

2.2 磁光阱技术－空间束缚原子

磁光阱技术透过精密调控磁场和光场之间的相互作用，实现对微观粒子的精确控制，这里的「阱」类似於一个位能陷阱，能够将物质束缚在一个特定的区域。也就是用磁铁和磁力，将分子或原子囚禁在势阱中心，任何偏离中心的原子或分子都会受到指向中心的散射力



2.3 亚多普勒冷却技术－原子能阶跃迁因而损失动能

多普勒冷却技术加上磁光阱技术就能实现对原子气的高效冷却的同时在空间上对其进行囚禁，并且磁光阱中的冷却极限远低於多普勒冷却极限。由於能量守恒，原子在位能高处动能低，位能低处动能高。当高能阶的原子吸收光子跃迁到激发态时，有一定机率自发辐射到基态m_j=-1/2能阶，在这过程中，原子释放的能量大於吸收光子的能量，也就是原子的能量不断损失，温度从不断下降。根据这种冷却机制，可以得到比多普勒冷却更低的温度。


2.4 熵理论对雷射制冷的理解

对於一个系统的冷却往往需要一个另一个开放系统不断地将熵抽离，在雷射冷却中扮演此角色的正是雷射系统。透过将系统的高熵部分移除，同样可以实现冷冻的任务。

蒸发冷却即透过降低势阱深度，将高能量原子去除，剩下一部分具有较低动能的原子重新达到热平衡后，系统的总能量不断下降，所以温度也会进一步下降。就像把炉灶内燃烧的木柴抽走，从而降低炉灶的温度。这一思路也被沿用到更低温度的方法探索中，如浸润冷却，将一个系统「浸润」在另一个体系中从而将熵转移，实现更低温度的降温。宏观上理解就是将饮料放入冰水里，达到进一步「冰镇」的效果。


3. 分子雷射冷却

近三十年来，雷射冷却原子技术一直是物理学科的热门研究方向之一，将原子系统冷却到超低温度并控制其量子态已经在多个领域取得了诸多进展，如冷原子中、玻色-爱因斯坦凝聚、物理精密测量、量子模拟以及量子计算机等等。但在分子层面，与原子相比，分子的自由度更多，拥有更多复杂的内部能阶结构，雷射冷却的方法同样可以利用到分子冷却当中。

2010年美国耶鲁大学的爱德华·舒曼和戴维·德米尔使用了几项新技术成功将氟化锶（SrF）冷却到几百微开，这是单分子雷射制冷首次达到这样接近绝对零度的低温[]。分子的雷射制冷比原子更复杂，原子透过在一定频率的光场下会因为多普勒效应而逐渐冷却，利用的是原子和光子的相互作用。但由於分子比原子更重，更难对雷射产生反应，不仅如此分子比起原子拥有更复杂的结构，分子会以原子键、旋转和自旋等方式储存能量，这让分子的雷射冷却难度更高。爱德华和戴维的团队采用了SrF分子，这种中分子不会在激光下发生振动阻碍制冷，同时他们选用了一束彩色激光，以确保能量会被分子吸收而不是让分子产生自旋。这项成果意义重大，部分分子存在极性，在超低温下可视为微小的磁体，可以用来研究量子力学的化学性质。超冷分子具有磁性的特性意味著分子可以透过磁场互相反应，这对量子计算也有重大意义。



2013年，美国实验天体物理联合研究所的Ye小组报告了横向激光冷却YO（氧化钇）的实验结果，2014年英国帝国学院的Hinds小组演示了纵向激光对CaF分子的减速和冷却实验，还有很多分子如BaH、BaF和YbF也有新的实验进展。同时也有一些科学研究团队开始挑战多原子分子的雷射冷却，例如美国哈佛大学的Doyle小组以及实现了SrOH的一维雷射冷却，分子的横向温度能降低到750uK。

4. 未来前景

绝对零度是永远不可能达到的极限，热力学第三定律是宇宙的固有法则。但追求绝对零度并不是无意义的，它为我们带来了意想不到的发现，并让我们能够研究粒子间互相作用力的根本原因。在无限逼近绝对零度的时候，各种物质的物理特性都开始发生极大而奇异的变化了，其中许多物理特性对於科学研究来说，具有相当大的价值。基於雷射冷却技术的冷原子物理的应用原来越广泛，国际上利用冷原子制造的原子钟，其精度最高已经达到了要150亿年才误差一秒。冷原子物理成为了基础物理科学研究的方向之一，英国、加拿大、日本、韩国也都成立了相对应的冷原子物理研究机构。 2018年5月21日，在美国国家航空暨太空总署沃洛普斯飞行基地，安塔瑞斯火箭载著「天鹅座」太空船发射升空。天鹅座太空船上装载了冰箱大小的冷原子实验室，价值七千万美元。耗费如此巨资，就是为了在太空微重力的环境下研究超低温状态下原子的量子特性。

2021年8月中国计量科学研究院发表了一篇小型化磁光阱晶片的方案，采取衍射光栅晶片与原子冷却俘获相结合的方案，透过线性光栅对单束入射光进行相位调制，成功实现了晶片尺度下原子的冷却，为实现磁光阱系统微小型化奠定了坚实基础。




雷射冷却技术一方面向物理极限的更深处探索，一方面不断简化实验系统，朝向更有效率智慧冷冻迈进。对於分子层面的冷却才刚起步，面对更复杂的分子系统，雷射冷却方案也在不断进化，从最早的固定频率的双向雷射光束冷却，到六向雷射光束冷却，磁光阱约束，到采用彩色雷射减少分子的自旋，雷射冷却自诞生之初就是人类探索超低温和量子力学的必经之路。

5. 总结 

雷射冷却技术自上世纪七十年代诞生以来，一直是人类探索绝对零度的有力助手，从最初Wineland等人的几百uK到Phillips实现将钠原子冷却到42uK，再到与磁光阱技术相结合，达到nK量级。人类借助雷射这一工具不断向绝对零度进军，同时探索超低温下原子的奇妙特性。另一方面雷射冷却也是分子冷却的核心技术，利用雷射探索结构更复杂的双原子超低温特性。更低的温度意味著更小的热涨落，这为更多量子多体物理领域的科学问题提供了实验条件。同时未来冷原子物理的发展需要更先进的冷冻技术以及更精确的量子调控能力，雷射冷却技术未来仍需要不断发展进步，为人类探索未知指明道路。



参考资料[1]http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/[2]CJFoot, Atomic physics。 [4]孟祥瑞,苏国贤,苑震生.原子冷却技术的发展[J].低温物理学报,2021,43(01):1-17.DOI:10.13380/j.ltpl.2021.01.001.[5]Shuman, E., Barry, J. & DedMule, NMmol, Nsmol, B. –823 (2010).[6]Liang Chen, Chang-Jiang Huang, Xin-Biao Xu, Yi-Chen Zhang, Dong-Qi Ma, Zheng-Tian Lu, Zhu-Bo Wang, Guang-Jie Chen, Ji-Zhe Zhang, Hong X. Tang, Chun-Hua Dong, Wen Liu, Guo-Yong Xiang, Gugem. lied 17, 034031 – Published 10 March 2022