在20世纪的最后二十年里，原子物理学家多次打破宇宙最冷温度的记录。这些成就依赖于一些进步，包括激光冷却（如 部分1 这段历史），磁光陷阱和西西弗斯冷却等技术比预期效果更好（如 部分2）。到 1990 年，物理学家经常将数以千万计的原子冷却到比绝对零高几十微开尔文的温度——比传统低温技术冷一千倍，只是激光冷却简单原子预测的“多普勒冷却极限”的一小部分。

然而，尽管温度骤降幅度巨大，但更具挑战性的温度下降也随之而来：进一步下降 1000 倍，从微开尔文降至纳开尔文。这一额外的下降将引入一个新的物理学领域，即量子简并性。在这里，低温和高密度迫使原子进入两种奇异的物质状态之一：要么 玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)，其中气体中的所有原子合并成相同的量子态，或简并费米气体 (DFG)，其中气体的总能量停止减少，因为所有可用的能量状态都已满（图 1）。

BEC 和 DFG 是纯粹的量子现象，原子的总自旋决定了它们中的哪一个会形成。如果原子有偶数个电子、质子和中子，它就是玻色子并且可以进行 BEC。如果总数是奇数，则它是费米子，可以形成 DFG。同一元素的不同同位素有时会表现出相反的行为——物理学家已经用锂 7 制成了 BEC，用锂 6 制成了 DFG——而这种低温行为的差异是量子粒子之间基本划分的最引人注目的证明之一。

与本系列之前描述的突破一样，量子简并性的深入得益于分布在世界各地的研究实验室引入的新技术。而且，与早期的进步一样，其中一项技术的出现完全是偶然的。

廉价的激光冷却

在1980中期， 卡尔·威曼 当时正在美国科罗拉多大学博尔德分校研究铯原子的宇称不守恒。这些研究需要耗时且精确的光谱测量，而维曼的博士生 里奇·瓦茨 开发了一种使用二极管激光器来实现这一点的方法，就像数百万人为 CD 播放器制造的激光器一样。

在花了数年时间研究如何稳定和控制这些廉价的固态设备后，瓦茨（相当合理）想完成他的博士学位，因此他和维曼四处寻找短期实验来测试它们。他们找到的答案是激光冷却。 “完成这个学生的论文是一件有趣的小事，”维曼回忆道，“这就是我进入[激光冷却]的完全原因。”

1986 年，瓦茨和维曼成为 第一个激光冷却铯原子束。瓦茨也是第一个用激光冷却铷的人，作为博士后 哈尔·梅特卡夫，石溪大学 在纽约，他参与了揭示亚多普勒冷却的开创性实验 比尔菲利普斯位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的实验室。然而，就像我们将在这段历史中遇到的另一位关键人物一样，瓦茨过早地离开了舞台，于 39 年去世，年仅 1996 岁。

与此同时，维曼需要一个新的科学目标，而这只能用冷原子来实现。他与新同事和竞争对手一起在一个非常古老且具有无可挑剔的科学血统的想法中发现了这一点：玻色-爱因斯坦凝聚。

逐底竞争

1924年 Satyendra Nath Bose 是一名物理学家 达卡大学 在现在的孟加拉国。在教授新的、快速发展的量子物理学领域时，他意识到马克斯·普朗克关于热物体光谱的公式可以从控制光子行为的统计规则中推导出来，光子比经典粒子更有可能被在相同的州发现。

博斯在出版他的作品时遇到了困难，因此他向阿尔伯特·爱因斯坦寄了一份副本，爱因斯坦非常喜欢它，因此安排将其出版 发表于 物理学杂志 旁边还有他自己的一篇论文。爱因斯坦的贡献包括将光子统计扩展到其他类型的粒子（包括原子），并指出一个有趣的结果：在非常低的温度下，系统最可能的状态是所有粒子占据相同的能量状态。

这种集体状态现在被称为 BEC，与超流动性和超导性密切相关，这两种状态分别在接近绝对零的温度下在液体和固体中观察到。不过，BEC 转变本身原则上可以在稀薄的原子气体中发生——就像原子物理学家在 1970 世纪 XNUMX 年代开始创造的那样。

不过，也存在一些障碍。一是BEC形成的临界温度由密度决定：密度越低，临界温度越低。尽管西西弗斯冷却使微开尔文温度成为可能，但激光冷却的原子蒸气扩散性如此之大，以至于它们的转变温度甚至更低，在纳开尔文范围内。它也低于与原子吸收或发射单个光子相关的“反冲温度”。因此，低于此限制的冷却必须在没有激光的情况下完成。

一次蒸发一次

这些问题的一般解决方案来自 丹尼尔·克莱普纳 以及麻省理工学院 (MIT) 的同事。它类似于冷却一杯茶的机制。茶中的水分子以不同的速度运动，最快的水分子有足够的能量来挣脱并以水蒸气的形式飘走。由于这些“逃逸者”携带的能量高于平均水平，因此剩余的分子最终会变得更冷。一旦运动中的能量通过分子之间的碰撞重新分配，系统就会在较低的温度下达到新的平衡（图 2）。

克莱普纳的方法被称为蒸发冷却，它需要两个要素：一种有选择地从陷阱中去除最热原子的方法，以及足够高的原子之间的碰撞率，以便样品随后重新平衡。第一个元素与光子反冲问题的解决方案齐头并进：通过将原子从磁光陷阱（MOT）转移到像菲利普斯首先制造的纯磁陷阱，可以将原子保持在“黑暗中” 1983 年。“热”原子的较高能量需要更大的磁场来限制它们，而这个大的磁场会在原子能级中产生塞曼位移。因此，适当调谐的射频信号可以将高场中的“热”原子翻转到未捕获状态，而不会干扰较冷的原子。留下的较冷原子也被限制在较小的体积内，因此随着温度的降低，密度会增加，从而使系统在两个方面更接近 BEC。

然而，碰撞问题却超出了实验者的掌控范围。相关速率由单个参数描述：特定状态下一对碰撞原子的所谓散射长度。如果该散射长度适度大并且为正值，则蒸发将快速进行并且所得的冷凝物将是稳定的。如果散射长度太小，蒸发就会很慢。如果为负值，则凝结水不稳定。

显而易见的解决方案是选择具有正确散射长度的原子，但根据第一原理计算该参数非常困难。它需要凭经验来确定，而在 1990 世纪 XNUMX 年代初，没有人做过必要的实验。因此，开始追求 BEC 的团体从元素周期表中选择了不同的元素，每个人都希望“他们的”可能是“正确的”。维曼和他的新同事 埃里克·康奈尔 甚至从铯换成铷，因为铷的两种稳定同位素使它们的机会增加了一倍。

“那永远行不通”

由于只需关闭激光器并让更多电流流过磁体线圈即可将 MOT 转变为纯粹的磁阱，因此实现 BEC 的第一步是激光冷却实验的直接扩展。由此产生的“四极陷阱”结构只有一个主要问题：陷阱中心的场为零，在零场下，原子可以将其内部状态改变为不再被捕获的状态。堵住原子从陷阱中心的“泄漏”需要找到一种方法来防止被捕获的原子改变状态。

多年来，这是激光冷却研究的一个主要领域。除了康奈尔大学和维曼大学之外，白热化的BEC竞争中的主要竞争者之一是 麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特勒。他的团队开发了一种将原子推离零场区域的方法，使用聚焦在陷阱中心的蓝色失谐激光作为“插头”。康奈尔和维曼则使用了一种全磁技术，他们称之为时间轨道势能（TOP）陷阱。

康奈尔大学在 1994 年初参加一次会议回来的飞机上开发了 TOP，部分原因是需要限制对设备的干扰。尽管他和维曼没有足够的空间容纳另一束激光束，但他们可以在垂直于四极线圈的轴周围添加一个小的额外线圈，这将改变零场位置。当然，陷阱中的原子会向新的零移动，但速度不会很快。如果他们使用不同轴上的两个小线圈，由振荡电流驱动，每秒将零移动数百次，用康奈尔的话来说，这可能足以将其保持在“原子不在的任何地方”。

那年夏天，他们使用一个由廉价音频放大器驱动的小线圈测试了这个想法。起初，增加的磁场使缠绕在玻璃蒸气室上的线圈发出令人震惊的嘎嘎声，驱动的线圈发出刺耳的高音调呜呜声，但原理是合理的，所以他们建造了一个更坚固的版本。几个月后，即 1995 年初，康奈尔大学与 Ketterle 讨论了陷阱方案，离开时认为 MIT 团队的光插头“永远无法工作。它基本上就是一根巨大的旧调酒棒指向那里。”然而，他承认凯特尔对 TOP 可能也有同样的感觉：“他可能在想‘这是我一生中听过的最愚蠢的想法。’所以我们俩都对这次谈话感到非常满意。”

事实上，这两种技术都确实有效。康奈尔大学和维曼是第一个证明这一点的人，他们进行了一系列实验，其中他们用激光束照射冷原子云。在这些“快照”过程中，云中的原子会吸收激光中的光子，在光束中留下阴影。该阴影的深度是云密度的度量，而云的大小则表示原子的温度。随着蒸发的进行，快照显示出球对称的原子云随着热原子逐渐被移除而缓慢收缩和冷却。

然后，在 1995 年 170 月，在 XNUMX 纳开尔文左右的温度下，发生了一些戏剧性的事情：图像中心出现了一个小黑点，代表原子处于极低的温度和更高的密度。康奈尔大学说，没过多久就弄清楚发生了什么：“中心密度突然上升。如果不是玻色-爱因斯坦凝聚，那里会发生什么？”

为了证实他们的怀疑，他和维曼将他们的一些阴影图像转换成现在标志性的三维图（参见“最酷的结果”图像），将热原子显示为一个宽阔的基座，而 BEC 作为一个“尖峰”出现在中心。尖峰的形状——一个方向比另一个方向更宽——编码了一条线索。因为他们的顶部陷阱在垂直方向上比水平方向上更强，所以凝结水在该方向上被挤压得更紧，这意味着它在释放后在该方向上膨胀得更快。虽然他们没有预测到这种形状变化，但他们很快就能够解释它，这增强了他们已经达到 BEC“圣杯”的信心。

康奈尔大学和维曼在 1995 年 XNUMX 月上旬的新闻发布会上宣布了他们的研究结果（这在当时是不同寻常的）。他们的论文发表在 科学 接下来的一个月。 3 月，Ketterle 和同事制作了他们自己的一组 XNUMXD 图，显示当钠原子云达到转变温度时出现了类似的“尖峰”。康奈尔、维曼和凯特勒接着分享了 2001年诺贝尔物理学奖 在稀原子蒸气中实现 BEC。

费米子获得冠军

1995 年初，康奈尔大学招募了一名新的博士后， 黛博拉·金。她的丈夫约翰·博恩 (John Bohn) 是博尔德 NIST 的物理学家，他回忆康奈尔大学时说的一句话：“很多人会告诉你 BEC 还需要几年的时间，但我真的认为我们会这么做。”他是对的：第一次 BEC 发生在 Jin 同意接受这份工作和她开始工作之间。

Jin 来自不同的研究团体——她的论文是关于奇异的超导体——但她很快就了解了激光和光学，并在探索 BEC 特性的早期实验中发挥了关键作用。作为一颗冉冉升起的新星，她收到了许多永久职位的邀请，但她选择留在 JILA，这是一家结合了科罗拉多大学和 NIST 专业知识的混合机构。在那里，为了将她的工作与康奈尔大学和维曼的工作区分开来，她决定研究另一类超低温行为：简并费米气体。

在玻色子受统计规则控制的情况下，这使得它们更有可能处于相同的能量状态，而费米子则绝对禁止共享状态。应用于电子，这就是泡利不相容原理，它解释了大部分化学：原子中的电子“填满”可用的能量状态，最后一个电子的确切状态决定了给定元素的化学性质。磁阱中的费米子原子遵循类似的规则：当气体冷却时，最低态会填充。然而，到了某个时刻，所有的低能态都充满了，云就不能再缩小了。与 BEC 一样，这是一种纯粹的量子现象，与粒子之间的相互作用无关，因此应该可以在超冷原子气体中观察到。

Jin 于 1997 年以一名研究生的身份加入 JILA， 布赖恩·德马科曾被康奈尔大学聘用，但在康奈尔大学的推荐下转而与金一起工作。德马科回忆道，康奈尔告诉他，“如果你和黛比能够成为第一个制造 DFG 的人，那将是一件大事，而且很有可能做到这一点。”

两人一开始的实验室是空的，连家具都没有。博恩回忆说，他们坐在他与金共用的办公室的地板上，为未来的激光器组装电子设备。然而，不到一年，他们就拥有了用于磁捕获和蒸发冷却费米子钾原子的工作装置。

除了 BEC 竞赛中面临的挑战之外，对 DFG 的追求还带来了两个挑战。第一个是，在超低温下，蒸发冷却的重新平衡步骤所需的碰撞停止发生，因为禁止两个费米子处于相同状态，从而防止它们发生碰撞。为了解决这个问题，Jin 和 DeMarco 将一半的原子置于不同的内部状态，提供足够的跨状态碰撞以实现蒸发。在该过程结束时，他们可以删除这两种状态之一并对其余状态进行成像。

第二个问题是，虽然 BEC 的实验特征是原子云中间的巨大密度尖峰，但费米简并性更为微妙。原子拒绝聚集在一起的关键现象以云一旦达到转变温度就停止进一步收缩的形式表现出来。为了弄清楚如何区分简并气体和热云，需要仔细建模和成像系统，该系统可以可靠地测量分布形状的微小变化。

原子的费米气体

尽管面临这些挑战，从一个空房间开始仅仅 18 个月后，Jin 和 DeMarco 就发表了对简并费米气体的首次观测。几年后，由凯特尔领导的团队， 兰迪·休莱特 在莱斯大学， 克里斯托夫所罗门 在巴黎的 ENS，以及 约翰·托马斯 杜克大学紧随其后。

与此同时，金继续使用激光和磁场将简并原子转化为分子，开辟了超冷化学的新领域。这项工作获得了无数荣誉，包括 麦克阿瑟基金会“天才补助金”是， 美国物理学会 I I Rabi 奖 （APS）和 物理研究所艾萨克·牛顿奖章。金也有望再次获得超冷原子物理学诺贝尔奖，但可惜的是，她 2016年死于癌症，并且该奖项不追授。

然而，除了奖项之外，金的遗产也是巨大的。她开创的子领域已发展成为原子物理学最重要的领域之一，她以前的学生和同事继续领导超冷费米子的研究。为了表彰她对指导的贡献，APS 设立了年度 Deborah Jin 奖，奖励原子、分子或光学物理学领域的杰出博士论文研究。

不断发现的历史

这个系列涵盖了半个多世纪。在那段时间里，使用激光操纵原子的想法从贝尔实验室一位物理学家心中的好奇心变成了众多尖端物理学的基础技术。激光冷却离子现在是量子信息科学发展最重要的平台之一。激光冷却的中性原子为世界上最好的原子钟奠定了基础。康奈尔、维曼、凯特尔和金首先观察到的量子简并系统催生了一个巨大的子领域，将原子物理学与凝聚态物理和化学联系起来。激光冷却原子对于物理研究仍然至关重要，世界各地的实验室每天都在书写新的历史。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/