激光冷却

激光冷却包括许多技术，其中原子和分子样品被冷却到接近xxx零。激光冷却技术依赖于这样一个事实，即当物体（通常是原子）吸收并重新发射光子（光粒子）时，其动量会发生变化。对于一组粒子，它们的热力学温度与其速度的变化成正比。也就是说，粒子之间更均匀的速度对应于更低的温度。激光冷却技术结合原子光谱利用上述光的机械效应来压缩粒子集合的速度分布，从而冷却粒子。

多普勒激光冷却的简化原理：1静止原子看到的激光既不红移也不蓝移，也不吸收光子。2远离激光的原子会看到它发生红移并且不吸收光子。3.1向激光移动的原子会看到它发生蓝移并吸收光子，从而减慢原子速度。3.2光子激发原子，将电子移动到更高的量子态。3.3原子重新发射光子。由于其方向是随机的，因此在许多吸收-发射循环中动量没有净变化。

激光冷却的xxx个例子，也是最常用的方法（以至于它仍然经常被简称为“激光冷却”）是多普勒冷却。其他激光冷却方法包括：

• 西西弗斯冷却
• 解决边带冷却
• 拉曼边带冷却
• 速度选择性相干种群捕获(VSCPT)
• 灰糖蜜
• 腔体介导冷却
• 使用塞曼更慢
• 电磁感应透明(EIT)冷却
• 固体中的反斯托克斯冷却

在激光冷却技术出现时，麦克斯韦的电磁学理论已经导致对电磁辐射施加力（辐射压力）的量化，但直到二十世纪之交，Lebedev(1901),Nichols(1901)和赫尔(1903)实验证明了这种力。在那个时期之后，在1933年，弗里施举例说明了光对原子施加的压力。从1970年代初开始，激光被用来进一步探索原子操纵。在1970年代中期，在原子操作实验中引入了激光作为激光冷却方案的出现。1975年，两个不同的研究小组分别引入了激光冷却：Hänsch和Schawlow以及Wineland和Dehmelt。他们都概述了通过“辐射力”降低原子中基于热的速度的过程。在Hänsch和Schawlow的论文中，描述了辐射压力对任何反射光的物体的影响。然后，这个概念与气体中原子的冷却有关。这些早期的激光冷却建议仅依赖于“散射力”，即辐射压力的名称。在后来的提案中，将引入激光捕获，这是一种需要散射和偶极力的冷却变体。

在70年代后期，阿什金描述了如何使用辐射力来光学捕获原子并同时冷却它们。他强调了这个过程如何允许长时间的光谱测量而不会让原子逃离陷阱，并提出了光陷阱的重叠以研究不同原子之间的相互作用。在1978年阿什金的信之后，两个研究小组：Wineland、Drullinger和Walls，以及Neuhauser、Hohenstatt、Toscheck和Dehmelt进一步完善了这项工作。具体而言，Wineland、Drulinger和Walls关注光谱学的改进。该小组写了关于通过使用辐射压力的过程实验证明原子冷却的文章。他们引用了在光阱中使用辐射压力的先例，但批评先前模型由于多普勒效应的存在而无效。为了减轻这种影响，他们采用了另一种方法，将镁离子冷却到室温以下的先例。使用电磁陷阱来控制镁离子，他们用与原子共振频率几乎没有异相的激光轰击它们。两组的研究都有助于说明光的机械特性。大约在这个时候，激光冷却技术允许温度降低到大约40开尔文。

WilliamPhillips受到Wineland论文的影响并试图模仿它，使用中性原子而不是离子。1982年，他发表了xxx篇概述中性原子冷却的论文。他使用的过程现在被称为塞曼慢波，并成为减慢原子束的标准技术之一。现在，温度达到了大约240微开尔文。该阈值是研究人员认为可能的最低阈值。在StevenChu的一项实验中，当温度达到43微开尔文时，新的低点是通过添加更多的原子态与激光偏振相结合来解释的。以前的激光冷却概念被认为过于简单化。70年代和80年代在使用激光进行冷却方面的重大突破导致对先前存在的技术和温度略高于xxx零的新发现进行了多项改进。冷却过程被用来使原子钟更准确并改进光谱测量，并导致在超低温下观察到一种新的物质状态。EricCornell、CarlWieman和WolfgangKetterle于1995年观察到了新的物质状态，即玻色-爱因斯坦凝聚态。

多普勒冷却通常伴随着磁俘获力以产生磁光陷阱，是迄今为止最常见的激光冷却方法。它用于将低密度气体冷却到多普勒冷却极限，对于铷-85而言，这大约是150微开尔文。

在多普勒冷却，首先，光的频率稍低于一个调谐电子跃迁在原子。因为光被失调到跃迁的“红色”（即，在较低频率），如果原子向光源移动，由于多普勒效应，它们将吸收更多的光子。因此，如果从两个相反方向施加光，原子将始终从激光束中散射更多光子，指向与其运动方向相反的方向。在每次散射事件中，原子都会失去一个动量等于光子的动量。如果现在处于激发态的原子自发地发射一个光子，它会被相同大小的动量踢，但方向是随机的。由于初始动量变化是纯粹的损失（与运动方向相反），而随后的变化是随机的，吸收和发射过程的可能结果是降低原子的动量，因此它的速度——假设它的初始速度大于散射单个光子的反冲速度。如果吸收和发射重复多次，平均速度会降低，因此原子的动能也会降低。由于温度一组原子的平均随机内部动能的量度，这相当于冷却原子。

激光冷却主要用于为量子物理实验创造超冷原子。这些实验在xxx零附近进行，在那里可以观察到独特的量子效应，例如玻色-爱因斯坦凝聚。激光冷却主要用于原子，但最近在激光冷却更复杂的系统方面取得了进展。2010年，耶鲁大学的一个团队成功地用激光冷却了一个双原子分子。2007年，麻省理工学院的一个团队成功地将一个宏观尺度（1克）物体激光冷却至0.8K。2011年，加州理工学院和维也纳大学的一个团队成为xxx个将(10μmx1μm)机械物体激光冷却到其量子基态的团队。