从20世纪七、八十年代几十年以来，一种叫做多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料，利用光子使原子减速。能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。但是只是在极小的尺寸上才能作到这一点。

激光制冷的基本介绍

激光制冷的基本原理

激光制冷的技术回顾

设计初衷

实验

激光制冷的其他贡献

激光制冷的基本介绍

不管你往什么地方看，到处都有激光的痕迹。激光束能准确地进行外科手术，就像小小的粒子加速器一样干净利落地工作。它们能在实验室再生太阳表面的白热状态。在科技日新月异的当今，人们已经可以通过高科技的手段利用激光能把材料中的热量逐渐排出，直至这些材料像冰冻的冥王星一样冷。美国的科学家已经研制出激光冷却器的样机，他们希望能把这些冷却器放到卫星上使用。

激光制冷的基本原理

激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。

物体原子运动的速度通常在约每秒500米左右。长期以来，科学家一直在寻找使原子相对静止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，从各个方面对原子进行照射，使原子陷于光子海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。在试验中，被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。

激光制冷的技术回顾

在20世纪的七八十年代，物理学家掌握了如何用激光将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。那个时期最重要的三篇文章都发表在《物理学评论快报》上，它们标志着这项技术发展过程中的关键。1978年，研究者们费尽九牛二虎之力才把离子冷却到40开尔文以下，但是仅仅十年之后中性原子就可以被冷却到43微开了。但是冷却的基本原理并没有变：用激光作用在原子上使之减速。这项技术的改进使得 物理学家们能够制备出一种称为玻色-爱因斯坦凝聚的量子态物质以及现代高精度的原子钟，有两项诺贝尔奖与这一技术有关。

设计初衷

冷却原子最初是为了降低它们的热运动速度，以便精确地测量原子光谱，后来则是为了改进原子钟。早在1978年Dave Wineland及其在国家标准技术局同事们就按照文献中提出的理论方案成功地用激光冷却了镁离子。

正如这个小组在《物理学评论杂志》的文章中所描述的那样，他们将离子限制在电磁势阱中，并用频率稍低于离子共振频率的激光轰击俘获的离子。在静止状态时，离子吸收频率等于其共振频率的光子；当离子迎着激光照射的方向运动时，由于多普勒效应激光的频率会变大，当激光频率达到离子共振频率的时候，离子就会吸收光子。由于光子和离子的动量方向相反，离子吸收光子之后其运动速度会降 低从而冷却，冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热效应所平衡 ，加热效应在有激光的时候总是存在的。在后来的几年中，加热效应——它源自原子每次随机地在各个方向辐射和吸收光子时产生的反冲效应——最终将对所谓的多 普勒冷却技术能够将物质冷却到更低的温度给出难以突破的限制。

在波士顿的William Phillips怀着极大的兴趣读了Wineland等人的实验文章以及一篇理论文章。他刚刚在麻省理工学院做完一期博士后，并在国家标准技术局的实验室找到了一个职位。Phillips回忆说：“冷却离子的想法使我思考是否有可能冷却中 性原子。”

实验

在1982年Phillips和来自纽约石溪大学的Harold Metcalf发表了关于用激光冷却中性原子的第一篇文章。他们把钠原子送入一个长约六十厘米、开口处宽而越往前越窄的磁场中。钠原子通 过磁场的时候迎头碰上频率与原子共振频率稍有差异的激光束，多普勒冷却效应使得原子束中粒子的运动速度被限制在较小的一个范围内。激光束同时也使得原子束 整体运动的速度减慢。在减速的过程中，不断改变的磁场造成原子的共振频率也不断改变，从而使得在很长的一个距离上减速和冷却效应能够一直保持，最终的速度 将达到仅为原有速度的百分之四十。这一现在被称为塞曼减速仪的装置已经成为原子束减速的标准工具。

激光冷却技术不断地被改进，一直到八十年代末，研究者们认为他们已经达到了可能达到的最低温度——这是根据多普勒冷却理论计算得到的——对于钠原子而言这 一温度极限是二百四十微开。但是在1988年，一个由Phillips领导的小组偶然间发现在这之前三年发展出来的一项技术可以突破多普勒极限。他们用三束相互垂直的激光束对来冷却钠原子，而且激光频率和其他实验室中使用的激光频率略有不同。他们发现，使用几项新的温度测量技术得到 的结果显示钠原子的温度只有43微开。理论物理学家马上从理论上对这一出乎意料的冷却机制给予了解释，这一解释考虑了更多的原子态以及激光的极化效应；相 比之下之前的冷却模型就非常简单化了。

激光制冷的其他贡献

在新理论的指导下，实验物理学家们获得了更低的温度并发展出了更多的冷却技术。Phillips的亚多普勒冷却技术（Sub-Doppler Cooling）是1995年制备出玻色-爱因斯坦凝聚——在这种新的凝聚态中，气态原子全部处于可能的最低能量状态上——的前奏。

原子钟技术同样从这一技术中受益。最新一代的原子钟使用的技术就直接脱胎于Phillips及其他人于八十年代发展出来的技术。Phillips因为发展出激光冷却技术而分享了1997年的诺贝尔奖；2001年的诺贝尔奖则授予首次实现玻色-爱因斯坦凝聚的物理学家。