冷原子束或超冷原子束產生的研究進展

1冷原子束的制備作為高級光譜、揚子頻率法、固體表面特征和冷原子碰撞的研究人員，他們也從事著原子反射、原子映射、原子干預、玻色-熱耦合實驗（bec）、原子配件和冷原子鐘等原子光學研究工作，希望獲得一組速度分布窄、分布角小、顏色高的冷原子梁或冷原子梁。通常,人們將原子爐噴射出來的原子束稱為熱原子束(將蒸汽池中的原子樣品稱為熱原子樣品),經多普勒冷卻或亞多普勒冷卻的原子束(或原子樣品)稱為冷原子束(或冷原子樣品),而將經亞反沖冷卻的原子束(或原子樣品)稱為超冷原子束(或超冷原子樣品)。為獲得冷原子束,人們相繼發展了許多方案。早期的方案大多建立在多普勒(Doppler)冷卻基礎上,以各種塞曼減速器(Zeemanslower)為典型代表近年來,隨著激光冷卻和囚禁技術,特別是磁光阱(magneto-opticaltrap,MOT)技術的發展,在多普勒冷卻的基礎上結合磁光阱技術又相繼發展了許多新的方案。其中一類典型的代表是蒸氣池磁光阱方案(VCMOT):利用磁光阱對低氣壓原子蒸氣池中的中性原子進行冷卻與囚禁,然后將其輸出,即可獲得一冷原子束。在這類利用磁光阱技術產生冷原子束的方案中,除了多普勒冷卻機制外,還存在一種亞多普勒激光冷卻機制——偏振梯度冷卻(polarizationgradientcooling)由于冷原子束與傳統的熱原子束相比,具有速度分布窄、發散角小和亮度高等優點,而超冷原子束和原子激光束則具有相干性好和單色亮度高等特點,故冷原子束或超冷原子束的產生為基礎物理問題的研究提供了一個性能優良的原子束源,并極大地促進了基礎物理研究的發展。因此,本文將就冷原子束或超冷原子束產生的基本原理、典型方案和實驗結果及其最新進展與應用作一簡單介紹,以期讀者對冷原子束或超冷原子束的產生及其應用有一個較為全面的了解。2冷原子束或超冷原子束的基本原則2.1運效應的測定早期的冷原子束產生方案以采用多普勒冷卻機制的塞曼減速器為典型代表所謂光抽運效應,指的是原子在自發輻射過程中從激發態弛豫到與冷卻激光束非共振的其他精細分裂能級上,從而終止了原子的進一步冷卻。為了有效地抑制這一光抽運效應,通常根據原子的偶極躍遷選擇定則選取適當的躍遷能級和冷卻激光束的偏振方向,以2.2采用亞多普勒冷卻和磁光陷阱技術產生的冷原子束的原理建立在磁光阱技術基礎上的冷原子束產生方案的原理大致如下1987年,Chu等首先報道了磁光阱的實驗結果2.3采用亞反沖冷卻機制產生超冷原子束的原理隨著冷原子束產生技術的不斷發展,人們在磁光阱技術的基礎上又相繼提出并實驗研究了一些采用亞反沖冷卻機制產生超冷原子束的新方法。例如:采用拉曼邊帶冷卻產生超冷原子束的方案3實驗計劃和結果及其顯著成就3.1采用激光掃頻冷卻技術的冷原子束產生方案早在1975年,Hansch等提出了激光冷卻中性原子的物理思想隨后,Hall等(1985年)利用反向傳輸的掃頻激光(σ由于采用上述激光掃頻技術來實現原子束的激光減速與冷卻,不僅在操作上存在不便,而且減速與冷卻的效果也不佳,因此目前人們已很少利用此類方案來產生冷原子束。3.2采用塞曼在冷原子束和方式的冷原子束塞曼減速器是多勒普冷卻方案中最為典型和最具代表性的方案。1981年,Phillips等首先提出了采用塞曼減速器獲得冷原子束的方案,并進行了相應的實驗研究1991年,Barrett等報道了利用σ無論是σ3.3采用塞曼國際上的冷原子束產生方案1990年,Chu等在多普勒冷卻的基礎上結合磁光阱技術提出了一種新的冷原子束產生方案,并進行了相應的實驗研究1994年,Scholz等報道了利用塞曼減速器結合傾斜的二維磁光阱產生冷原子束的實驗2000年,Fukugama等人報道了利用塞曼減速器結合三維磁光阱(四光束MOT)以脈沖方式產生冷原子束的實驗3.4采用蒸氣池磁光棧的冷原子束產生方案1996年,Wieman等在三維磁光阱的基礎上設計并研究了一種產生低速強原子束源(Low-velocityintensesourceofatoms,LVIS)的新方案1997年,Weyers等報道了利用二維蒸氣池磁光阱產生冷原子束的實驗方案1998年,Walraven小組報道了利用二維磁光阱結合三維多普勒冷卻技術產生冷原子束的新方案同年,Vredenbregt等利用一個二維磁光阱壓縮器作為一個原子漏斗在蒸氣池中將速度低于100m/s的鈉原子取出,然后通過一個球形的各向同性激光腔(腔內的激光通過光纖導入)對原子束進行縱向減速與冷卻1996年,Jhe等首先采用金字塔型空心反射鏡(角錐空心反射鏡)或圓錐空心反射鏡實現了單光束的原子磁光囚禁,并進行了相應的實驗研究此外,建立在蒸氣池磁光阱技術基礎上的冷原子束產生方案還有許多3.5原子束的實現2001年,Chu等報道了利用三維運動光學晶格冷卻和加速銫原子束輸出的實驗另一類產生超冷原子束的方案是采用適當的磁光操控技術實現玻色一愛因斯坦凝聚(BEC)中的超冷原子的耦合輸出,以產生相干的原子激光束。1997年,Ketterle等通過射頻耦合輸出技術將磁阱中處于BEC的超冷鈉原子泵浦到非囚禁態,并在重力場的作用下,實現了第一個脈沖鈉原子激光束的輸出4在基礎物理問題研究中的應用一束發散角小、速度分布窄和亮度高的冷原子束或超冷原子束,無論是在諸如超高分辨光譜、量子頻標、固體表面研究、冷原子碰撞和非線性物理效應等基礎物理問題研究方面,還是在諸如原子束反射、原子束偏轉(折射)、原子束聚焦成像(原子透鏡)、原子束衍射、原子束干涉、原子波導、原子分束、原子全息和原子刻印甚至冷原子鐘等原子光學實驗中均有廣闊的應用前景4.1在真空室中的應用冷原子束或超冷原子束的重要應用之一是BEC實驗及其原子激光的輸出。如果將冷原子束(包括磁、光導引的冷原子束)裝載進入一個超高真空室中的磁光阱(或光阱),并采用射頻蒸發冷卻(或光學勢蒸發冷卻)技術進一步冷卻原子至光子反沖溫度附近,即可實現BEC相變,并進行BEC耦合輸出(原子激光)的實驗研究。自從1995年美國JILA小組首先觀測到銣原子氣體中的BEC以來4.2分束干涉儀高質量冷原子束或超冷原子束的產生正極大地推動著原子光學的發展。特別是近年來,如何實現冷原子的精確操縱與控制吸引了眾多物理學者的興趣。以原子干涉儀為例,按照原子束分束方法的不同,構成的原子干涉儀通常可分為:駐波場分束干涉儀,布拉格衍射分束干涉儀,微結構機械光柵分束干涉儀,偏振分束干涉儀,磁、光導引分束干涉儀等。顯然,所有原子干涉儀及其原子干涉實驗都需要用到高質量的冷原子束或超冷原子束。原子干涉儀的出現為研究原子的內部結構、性質,原子在電場、磁場、電磁場(光場)和重力場乃至真空場中的運動行為以及一些基本的量子特性(如量子統計特性)等提供了更為精確的研究手段。與此同時,原子干涉儀還是一種測量器件,它可用于制造超高靈敏的探測儀器,如原子干涉陀螺儀和重力計,在航海、航天和地質勘探等領域中有著廣泛的應用前景。此外,對冷原子束的精確操控,無論是在原子刻印和納米材料制作,還是在冷原子鐘研制等方面均有著非常重要的應用價值。例如,1998年,Thomann等4.3原子激光準1996年,Shimizu等利用ZeemanSlower+MOT技術產生的冷Ne原子束進行了第一個原子全息術的實驗研究此外,原子光學領域中的另一個熱點是原子激光的應用研究。所謂原子激光,實際上是一束準單色、高亮度和強相干的超冷原子束。這樣的一束原子激光在我們的生產和生活以及科學研究