精品文檔-下載后可編輯探索波色·愛因斯坦凝聚的研究歷史在20世紀70年代中期，激光冷卻與捕陷中性原子技術的研究，使人類進入了一個空前的超低溫時代。在這個新領域中，人們在實驗室中發現了新的物態，即玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），同時發現了一系列新的物理現象。一些新的學科和領域，如超冷原子物理、原子光學、波動原子光學、量子原子光學、微結構集成原子光學、非線性原子光學等相繼興起，并呈現蓬勃發展的趨勢，它們都已成為物理學的熱門研究領域。

最初，多普勒冷卻被人們認為是激光冷卻原子的唯一機制，即認為多普勒冷卻的極限溫度就是原子可以獲得的最低溫度。在1998年，Phillips實驗小組報道了原子低于多普勒冷卻的極限溫度的三維“光學黏膠”，其極限溫度達到了約40，這一溫度遠遠低于原子的多普勒冷卻的極限溫度[2]。不久以后，Cohen-Tannoudji實驗小組也證實了“光學黏膠”的冷卻溫度遠遠低于多普勒冷卻極限溫度[3]。這一實驗結果，充分說明了目前對激光冷卻機制的理論研究工作不完善，仍需進一步的探究。因此，一些學者們在此基礎上又提出亞多普勒冷卻機制[4]，主要包括偏振旋轉導致的運動誘導原子布居冷卻以及后來的磁感應冷卻等[5]。

激光冷卻與囚禁原子原理實際上就是光場對原子的作用力，即機械作用。Ashkin[6，7]和Letokhov[8]等人首先提出了激光對中性原子會產生偶極力和散射力，并且它們是可以觀測到的機械作用力，但這兩種力實際上性質不同。在這個理論基礎上，在1975年，Wineland與Dehmelt[9]和Hansch與Schawlow[10]分別提出了對中性原子和囚禁在電磁阱中的離子的激光冷卻實驗方案。從此以后，實驗研究隨之蓬勃開展起來。

1光阱

光阱的理論原理和激光捕獲微粒的原理，實質上是一致的。當激光和原子相互作用時，原子會吸收光子，并且在輻射光子時就會受到沿光束前進方向的散射力的作用。在近共振光場的作用下，原子會產生感生電偶極矩，電偶極矩又會與光場發生相互作用，此相互作用不僅會使原子受到梯度力的作用，而且還將會導致原子能級的產生與光場強度及偏振有關的能級移動，也就是光頻移。若光場中分布著非均勻的光強，那么原子的能級就隨著空間的光強變化而呈現一定的分布。由于負失諧時光頻移的結果是使光強最強處成為原子勢能的最低點，因此在激光束為負失諧時，偶極力將會把原子推向光強最強處；相反地，在激光束為正失諧的情況下，因為正失諧時光頻移的結果是使光強最弱處成為原子勢能的最低點，所以偶極力又會把原子推向光強最弱處。據此，Letokhov等在1968年提出通過駐波光場的偶極力來俘獲原子的辦法[25]。

利用散射力和偶極力相結合的方法可以實現原子光阱。朱棣文等人于1986年在大小約為溫度的三維原子“光學黏膠”的情況下，利用大負失諧量的強聚焦基模高斯激光束，第一次成功地在實驗中實現了原子光阱。

2磁阱

根據經典的電磁理論，用[27]來表示不均勻磁場對磁偶極矩的作用力。由此，可利用特定結構的磁場系統將磁矩不為零的中性原子俘獲在磁場的極小值處。最簡單的中性原子磁阱的實驗裝置由一對通以恒定直流電流的同軸反向亥姆霍茲線圈所組成。在兩線圈之間軸線上的中點位置上磁場強度為零。以此點為起點沿著任意方向前進，都會使磁場強度增大。實驗中，在應用磁四極阱的時侯，必須先將經過一維激光冷卻的慢原子束漂移至磁阱的中心位置上，然后利用近共振的激光脈沖把原子的漂移速度幾乎降低至零，與此同時，接通兩線圈的電流，就可以在磁四極阱中心實現原子冷卻。原子的磁四極阱[26-28]是由Metcalf小組在1985年第一次在實驗中成功演示。

當原子在阱內運動時，由于原子在磁四極阱中的受力情況跟原子的磁偶極矩與四極磁場之間的夾角有關，所以必須保持這一夾角基本不變，才可以使原子受到的磁場力指向磁阱的中心位置上，近而成功地將原子在阱中俘獲。但是實際上，一般情況下這個條件是很難達到的。

的Zeeman子能級上的原子勢能的極低點在磁四極阱的中心位置上。當阱中處在的Zeeman子能級上的原子運動到磁四極阱的中心位置時，因為，磁阱中心處的磁場強度為零，所以可通過Majarona躍遷過程使其躍遷到或的Zeeman子能級上。對的Zeeman子能級上的原子，該點與原子勢能的極大點相對應。在此情況下，原子將在磁場的作用下被推出阱外，這樣就會導致阱中原子的泄露。

上文中所提到的漏洞將對阱中原子密度的增加起到嚴重的阻礙作用。為了克服這一阻礙作用，人們研究出了很多種方法。比如，為了克服Majarona躍遷所引起的原子泄露，Pritchard小組是通過增加均勻偏置磁場的方法，在真空度更高的情況下將磁四極阱中的原子成功地俘獲了約[29].而Corell小組則是利用增加旋轉偏置磁場的辦法，使得處在的Zeeman子能級上的原子被旋轉磁場形成的等效時間平均勢所約束，使其不能再進動到或的Zeeman子能級，這樣就成功地解決了磁四極阱中原子的泄露問題[30]。原子的交流磁阱的設想是由Lovelace等提出的，而相應的實驗工作卻是由Wieman小組第一次完成[31]。

3磁光阱

世界上第一次成功實現激光場與梯度磁場相結合的中性原子磁光阱，是Raab和他的助手們利用原子實現的[34]。隨后，Wieman實驗小組在1990年利用半導體激光器在原子系統中實現了世界上首個直接工作在原子室中的中性原子磁光阱[35]，這種技術很大程度上簡化了磁光阱的實驗裝置與相關技術。Ketterl等人在1993年[36]又提出了可以有效地提高阱中所俘獲原子的密度的方案，即所謂的“暗磁光阱”方案。

目前，在國外已經有很多研究小組先后構建了各種不同原子的磁光阱實驗裝置，并在試驗中成功地將多種中性原子俘獲。在國內，也有很多地方都在做這方面的研究工作。其中取得一定的實驗成果的有，山西大學光電研究所是采用磁光阱的方法獲得了冷原子樣品[37]，北京大學和上海光機所后來也分別報道了原子和原子磁光阱的實驗結果。除此之外，國內還有浙江大學、中國科學院物理研究所、中國計量科學研究院德等也做了激光冷卻與俘獲方面的工作。

在科學實驗上，激光冷卻和捕陷原子的研究具有重大的意義。它能很大程度提高分辨率和光譜研究的精度