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激光冷卻方法、應用和未來(lái)展望

來(lái)源:光電查2024-06-11 我要評論(0 )   

在現代物理學(xué)中,對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(lái)了無(wú)限可能。在量子力學(xué)和光學(xué)的交匯點(diǎn)上,激光冷卻成為一項突破性技術(shù)。它可以...


在現代物理學(xué)中,對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(lái)了無(wú)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 70 年代,朱棣文及其同事才通過(guò)實(shí)驗證明了這一概念。他們的開(kāi)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(kāi)創(chuàng )性貢獻,他們于 1997 年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

 

本文將深入探討激光冷卻的具體細節,研究其原理、方法以及在量子模擬和精密計量學(xué)中的應用,突出其在推動(dòng)現代物理學(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而異。在氣態(tài)系統中,原子的動(dòng)量被捕獲在其平移自由度中,而在固態(tài)系統中,原子的動(dòng)量被儲存在晶格振動(dòng)(也稱(chēng)為聲子)中。盡管存在這些差異,但激光冷卻的總體目標--利用激光減少原子的動(dòng)量,在不同的系統中保持一致。

 

 

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。

 

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。

 

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,然后以隨機方向重新發(fā)射光子。這一過(guò)程可有效減少系統的動(dòng)量,從而實(shí)現冷卻。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、熱隔離和機械支撐冷部件以及保持高真空的組件。資料來(lái)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,依賴(lài)于原子與激光的相互作用。該方法采用簡(jiǎn)單的兩能級體系,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,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。這種方法可達到的最低溫度(稱(chēng)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(guò)多普勒效應冷卻的,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,通過(guò)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(mǎn)足,這種方法就是固體的光學(xué)制冷。資料來(lái)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)的輸出可調諧性是腔內光學(xué)低溫冷卻器低溫運行所必需的。輸出功率超過(guò) 20 W,斜率效率大于 40%。(b) 通過(guò)腔內 Yb:YLF 冷卻元件達到 131 K 的光學(xué)制冷溫度(激光器的腔體布局見(jiàn)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(cháng)通過(guò)腔內雙折射濾波器(未圖示)不斷調整,在 1020 nm 處達到最大冷卻效果。資料來(lái)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上,利用原子的超精細結構進(jìn)行冷卻。它利用了原子在光學(xué)晶格內的周期性運動(dòng),光學(xué)晶格由正交偏振激光束形成。當原子穿過(guò)該晶格時(shí),它們會(huì )遇到空間變化的能量景觀(guān),從而減小其動(dòng)量,進(jìn)而降低溫度。西西弗斯冷卻所能達到的最低溫度(通常稱(chēng)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)現超低溫的一種獨特方法。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(guò)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)現量子簡(jiǎn)并(一種原子表現出集體量子力學(xué)行為的狀態(tài))方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

 

激光冷卻的應用

 

1、原子鐘和精密測量

 

原子鐘對于全球導航系統和物理學(xué)基礎研究等廣泛應用中的精確計時(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,因為它們?yōu)樵隅娞峁┝朔€定性和精確性。近來(lái),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)鐘運行。資料來(lái)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(lái)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算機和模擬器的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著(zhù)重要作用。激光冷卻原子的長(cháng)相干時(shí)間為實(shí)現量子門(mén)和存儲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)典計算機無(wú)法解決的復雜計算問(wèn)題,包括密碼學(xué)和材料科學(xué)。

 

 

OEwaves 公司的 Hi-Q?超窄線(xiàn)寬激光器系列可用于光學(xué)計量和光譜學(xué)、量子計算、量子通信、量子傳感等應用場(chǎng)景。

 

3、精密計量學(xué)與基礎物理學(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)的基本常數和屬性。此外,在激光冷卻原子的幫助下,還設計了一些實(shí)驗來(lái)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(ài)因斯坦凝聚和量子簡(jiǎn)并等新現象方面發(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(kāi)辟了新的道路。其中一項重大突破是混合冷卻技術(shù)的使用。這種創(chuàng )新方法不僅擴大了原子和分子物種的冷卻范圍,還增強了量子模擬、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)的應用擴展到復雜的量子系統,包括極性分子和對稱(chēng)頂分子,拓寬了潛在研究的視野。

 

發(fā)表在《Nature》上的一項重要研究表明,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。這項研究的結果將 CaOH 定位為量子科學(xué)領(lǐng)域(包括但不限于量子模擬和計算進(jìn)步)中一個(gè)極具應用前景的實(shí)體。

 

 

激光冷卻和再泵送方案。資料來(lái)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(kāi)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(guān)察的方法。

 

 

分子能量圖和實(shí)驗裝置。資料來(lái)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(lái)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)相結合的集成平臺的發(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、量子通信和導航系統在內的各種領(lǐng)域應用。

 

挑戰

 

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。復雜的實(shí)驗裝置和對實(shí)驗參數精確控制的需求,給激光冷卻技術(shù)的實(shí)施帶來(lái)了重大挑戰。此外,雜散光、與殘留氣體的相互作用以及磁場(chǎng)等外部參數會(huì )導致捕獲原子退相干,從而降低該技術(shù)的效率。

 

將激光冷卻技術(shù)擴展到更大的系統或復雜的分子仍然是一項艱巨的挑戰,需要創(chuàng )新的方法來(lái)克服技術(shù)限制和可擴展性問(wèn)題。

 

未來(lái)展望與結論

 

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(lái)奠定了基礎。釋放這一潛力的關(guān)鍵在于提高激光冷卻方法的效率、可擴展性和多功能性。這些改進(jìn)不僅有望帶來(lái)突破性的發(fā)現,而且有望帶來(lái)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)相結合,有望改變通信、傳感和計算方式。此外,開(kāi)拓新的冷卻機制和探索復雜的量子態(tài)可以大大加深我們對量子世界的理解。

 

當前激光冷卻技術(shù)的進(jìn)步為超冷物質(zhì)技術(shù)的革命性應用鋪平了道路。這些進(jìn)步不僅擴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(wú)與倫比的機會(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)、精密計量學(xué)和量子計算領(lǐng)域。在未來(lái),利用最冷的溫度可能會(huì )帶來(lái)最重大的發(fā)現,突破科學(xué)和技術(shù)上可實(shí)現的極限。(參考文獻略,來(lái)源:光電查)


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