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在現(xiàn)代物理學(xué)中，對(duì)原子和分子溫度的精確操縱和控制為量子模擬和量子信息處理等領(lǐng)域帶來了無限可能。在量子力學(xué)和光學(xué)的交匯點(diǎn)上，激光冷卻成為一項(xiàng)突破性技術(shù)。它可以將物質(zhì)冷卻到極低的溫度，為這些領(lǐng)域的進(jìn)步鋪平了道路。
激光冷卻是一種利用激光降低原子、離子或固體溫度的技術(shù)，這種技術(shù)在激光發(fā)明之前就已經(jīng)有了概念。然而，直到 20 世紀(jì) 70 年代，朱棣文及其同事才通過實(shí)驗(yàn)證明了這一概念。他們的開創(chuàng)性工作揭示了利用激光精確控制原子的動(dòng)量，可以將原子冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度。由于朱棣文、Claude Cohen-Tannoudji 和 William D. Phillips 在激光冷卻技術(shù)發(fā)展方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，他們于 1997 年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
本文將深入探討激光冷卻的具體細(xì)節(jié)，研究其原理、方法以及在量子模擬和精密計(jì)量學(xué)中的應(yīng)用，突出其在推動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)和技術(shù)發(fā)展中的作用。
激光冷卻方法
激光冷卻方法因冷卻系統(tǒng)而異。在氣態(tài)系統(tǒng)中，原子的動(dòng)量被捕獲在其平移自由度中，而在固態(tài)系統(tǒng)中，原子的動(dòng)量被儲(chǔ)存在晶格振動(dòng)（也稱為聲子）中。盡管存在這些差異，但激光冷卻的總體目標(biāo)--利用激光減少原子的動(dòng)量，在不同的系統(tǒng)中保持一致。
Photodigm 公司的 DBR 激光器可用于激光冷卻、原子捕獲，原子鐘、光子糾纏等實(shí)驗(yàn)。
Sacher Lasertechnik 公司的 Micron Laser 系列 ECDL 激光器可用于激光冷卻、原子捕獲，原子鐘、光子糾纏等實(shí)驗(yàn)。
激光冷卻的核心是多普勒冷卻原理。該原理概述了向激光束移動(dòng)的原子如何吸收光子，然后以隨機(jī)方向重新發(fā)射光子。這一過程可有效減少系統(tǒng)的動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)冷卻。除了多普勒冷卻，還有其他方法，如西西弗斯冷卻和蒸發(fā)冷卻，使用這些方法可以實(shí)現(xiàn)超低溫。
基本光學(xué)冰箱的剖視圖。完整的光學(xué)制冷器包括將激光功率輸送到冷卻元件、去除熒光能量、熱隔離和機(jī)械支撐冷部件以及保持高真空的組件。資料來源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。
1、多普勒冷卻
多普勒冷卻是激光冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)，依賴于原子與激光的相互作用。該方法采用簡單的兩能級(jí)體系，可用于中性原子和離子。
這種技術(shù)是指以一定速度運(yùn)動(dòng)的原子遇到一束略低于其共振頻率的激光。由于多普勒效應(yīng)，原子的感知頻率高于激光頻率，從而吸收光子。隨后的反斯托克斯熒光會(huì)減弱原子的動(dòng)量，從而促進(jìn)冷卻。這種方法可達(dá)到的最低溫度（稱為多普勒極限）約為 100 μK。
相關(guān)自由度，可用于不同起始溫度下的激光冷卻。平移是通過多普勒效應(yīng)冷卻的，在溫度很低和高度稀釋的氣體中發(fā)揮作用。分子碰撞產(chǎn)生的輻射再分布也可用于冷卻稠熱氣體中的平移自由度。在中間溫度范圍內(nèi)，通過反斯托克斯熒光的聲子湮滅冷卻振動(dòng)是可行的。后一種情況通常在固體中得到滿足，這種方法就是固體的光學(xué)制冷。資料來源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。
(a) 垂直腔面發(fā)射激光器（VECSEL）的輸出可調(diào)諧性是腔內(nèi)光學(xué)低溫冷卻器低溫運(yùn)行所必需的。輸出功率超過 20 W，斜率效率大于 40%。(b) 通過腔內(nèi) Yb:YLF 冷卻元件達(dá)到 131 K 的光學(xué)制冷溫度（激光器的腔體布局見插圖，激光器腔體完全封閉在一個(gè)真空室中，圖中未示）。在室溫下自啟動(dòng)激光作用后，振蕩波長通過腔內(nèi)雙折射濾波器（未圖示）不斷調(diào)整，在 1020 nm 處達(dá)到最大冷卻效果。資料來源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。
2、西西弗斯冷卻
西西弗斯冷卻或亞多普勒激光冷卻是在多普勒冷卻的基礎(chǔ)上，利用原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻。它利用了原子在光學(xué)晶格內(nèi)的周期性運(yùn)動(dòng)，光學(xué)晶格由正交偏振激光束形成。當(dāng)原子穿過該晶格時(shí)，它們會(huì)遇到空間變化的能量景觀，從而減小其動(dòng)量，進(jìn)而降低溫度。西西弗斯冷卻所能達(dá)到的最低溫度（通常稱為反沖極限）在 0.1 至 1 μK 之間。
3、蒸發(fā)冷卻
蒸發(fā)冷卻是實(shí)現(xiàn)超低溫的一種獨(dú)特方法。它是利用射頻或微波技術(shù)，有選擇性地將最熱原子從捕獲的超冷氣體中移除。這一過程降低了剩余原子的平均動(dòng)能，從而降低了整體溫度。蒸發(fā)冷卻在實(shí)現(xiàn)量子簡并（一種原子表現(xiàn)出集體量子力學(xué)行為的狀態(tài)）方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
激光冷卻的應(yīng)用
1、原子鐘和精密測量
原子鐘對(duì)于全球?qū)Ш较到y(tǒng)和物理學(xué)基礎(chǔ)研究等廣泛應(yīng)用中的精確計(jì)時(shí)和同步至關(guān)重要。激光冷卻原子是原子鐘的重要組成部分，因?yàn)樗鼈優(yōu)樵隅娞峁┝朔€(wěn)定性和精確性。近來，激光冷卻原子鐘在大地測量、電信和太空探索等領(lǐng)域取得了重要發(fā)展。
光學(xué)時(shí)鐘運(yùn)行。資料來源：Ye, J., & Katori, H. (2017)，《Optical Lattice Clocks and Quantum Metrology》，《arXiv preprint》。
光學(xué)晶格中的光譜學(xué)。資料來源：Ye, J., & Katori, H. (2017)，《Optical Lattice Clocks and Quantum Metrology》，《arXiv preprint》。
2、量子信息處理
激光冷卻原子和離子在量子計(jì)算機(jī)和模擬器的開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。激光冷卻原子的長相干時(shí)間為實(shí)現(xiàn)量子門和存儲(chǔ)量子信息提供了精妙的控制。在激光冷卻和量子力學(xué)的幫助下，研究人員旨在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的復(fù)雜計(jì)算問題，包括密碼學(xué)和材料科學(xué)。
OEwaves 公司的 Hi-Q?超窄線寬激光器系列可用于光學(xué)計(jì)量和光譜學(xué)、量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等應(yīng)用場景。
3、精密計(jì)量學(xué)與基礎(chǔ)物理學(xué)
激光冷卻技術(shù)在理解物理定律方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它能夠精確測量物質(zhì)的基本常數(shù)和屬性。此外，在激光冷卻原子的幫助下，還設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)來測試量子力學(xué)原理，研究引力和慣性力的極限。它還在探索玻色-愛因斯坦凝聚和量子簡并等新現(xiàn)象方面發(fā)揮了重要作用。
最新發(fā)展與研究
激光冷卻技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展為科學(xué)研究開辟了新的道路。其中一項(xiàng)重大突破是混合冷卻技術(shù)的使用。這種創(chuàng)新方法不僅擴(kuò)大了原子和分子物種的冷卻范圍，還增強(qiáng)了量子模擬、精密光譜學(xué)和量子信息處理等領(lǐng)域的研究能力。
最近發(fā)表的論文進(jìn)一步將激光冷卻技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到復(fù)雜的量子系統(tǒng)，包括極性分子和對(duì)稱頂分子，拓寬了潛在研究的視野。
發(fā)表在《Nature》上的一項(xiàng)重要研究表明，利用磁光俘獲成功地將多原子分子，特別是氫氧化鈣(CaOH)冷卻到110 μK 的溫度。這項(xiàng)研究的結(jié)果將 CaOH 定位為量子科學(xué)領(lǐng)域（包括但不限于量子模擬和計(jì)算進(jìn)步）中一個(gè)極具應(yīng)用前景的實(shí)體。
激光冷卻和再泵送方案。資料來源：Vilas, N. B., Hallas, C., Anderegg, L., Robichaud, P., Winnicki, A., Mitra, D., & Doyle, J. M. (2022)，《Magneto-optical trapping and sub-Doppler cooling of a polyatomic molecule》，《Nature》。
隨后的研究也發(fā)表在《Nature》上，開發(fā)了一種用于操縱超冷多原子分子的光鑷陣列。他的陣列不僅有助于精確控制分子內(nèi)部的量子態(tài)，而且還引入了效率更高的非破壞性成像能力。這一進(jìn)展將徹底改變分子操作和觀察的方法。
分子能量圖和實(shí)驗(yàn)裝置。資料來源：Vilas, N. B., Robichaud, P., Hallas, C., Li, G. K., Anderegg, L., & Doyle, J. M. (2024)，《An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules》，《Nature》。
分子鑷陣列。資料來源：Vilas, N. B., Robichaud, P., Hallas, C., Li, G. K., Anderegg, L., & Doyle, J. M. (2024)，《An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules》，《Nature》。
跨學(xué)科研究工作的匯聚促進(jìn)了激光冷卻與原子捕獲技術(shù)相結(jié)合的集成平臺(tái)的發(fā)展。這些創(chuàng)新最終造就了小巧、便攜的冷原子裝置。這些器件將重新定義包括慣性傳感、量子通信和導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的各種領(lǐng)域應(yīng)用。
挑戰(zhàn)
盡管激光冷卻技術(shù)不斷進(jìn)步，但要充分發(fā)揮其潛力仍面臨巨大挑戰(zhàn)。復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置和對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)精確控制的需求，給激光冷卻技術(shù)的實(shí)施帶來了重大挑戰(zhàn)。此外，雜散光、與殘留氣體的相互作用以及磁場等外部參數(shù)會(huì)導(dǎo)致捕獲原子退相干，從而降低該技術(shù)的效率。
將激光冷卻技術(shù)擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)或復(fù)雜的分子仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新的方法來克服技術(shù)限制和可擴(kuò)展性問題。
未來展望與結(jié)論
激光技術(shù)、量子光學(xué)和材料科學(xué)的最新進(jìn)展為激光冷卻技術(shù)令人振奮的未來奠定了基礎(chǔ)。釋放這一潛力的關(guān)鍵在于提高激光冷卻方法的效率、可擴(kuò)展性和多功能性。這些改進(jìn)不僅有望帶來突破性的發(fā)現(xiàn)，而且有望帶來重新定義技術(shù)前沿的創(chuàng)新。
將激光冷卻原子和離子與量子網(wǎng)絡(luò)和傳感器等新興量子技術(shù)相結(jié)合，有望改變通信、傳感和計(jì)算方式。此外，開拓新的冷卻機(jī)制和探索復(fù)雜的量子態(tài)可以大大加深我們對(duì)量子世界的理解。
當(dāng)前激光冷卻技術(shù)的進(jìn)步為超冷物質(zhì)技術(shù)的革命性應(yīng)用鋪平了道路。這些進(jìn)步不僅擴(kuò)大了我們的精確測量能力，也為探索量子力學(xué)的奧秘提供了無與倫比的機(jī)會(huì)。
總之，激光冷卻正在超越理論物理學(xué)的界限，涉足量子力學(xué)、精密計(jì)量學(xué)和量子計(jì)算領(lǐng)域。在未來，利用最冷的溫度可能會(huì)帶來最重大的發(fā)現(xiàn)，突破科學(xué)和技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的極限。（參考文獻(xiàn)略，來源：光電查）
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