激光制冷

物体的原子总是在不停地做无规则运动，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，从而降低了原子温度。当然这种方法还只能限于原子级、分子级的范围，目前还不能冷冻大一些的物体。

多普勒冷却是激光制冷的第一个例子，也仍然是最常见的激光制冷方法，是在1975年由是David J. Wineland、Hans Georg DehmeltTheodor 和W. Hänsch 和 Arthur Leonard Schawlow两个研究小组分别同时提出来的。

Arthur Leonard Schawlow, American (1921–1999)

Hans Georg Dehmelt, American (1922–)

多普勒冷却是基于从光子到原子的动量交换的原理。当原子暴露在谐振激光中时，它会吸收与它运动方向相同光子，然后光子会自发地沿着的随机的方向散射。经过大量的吸收/发射，会在激光的方向上得到一个净动量传递。这种通过动量传递产生的力被称为辐射力，可用于操纵原子的运动。

激光制冷过程中原子和光子的动量交换

如果这种吸收和发射过程是反复多次，原子的平均运动速度，或者说原子的动能就会减少。由于一个原子的总体温度是原子平均内动能的标志，因此，原子的平均运动速度的减小等价于这相当于原子温度的降低。

为了使原子的三维运动受到阻尼运动，多普勒冷却系统至少需要6个激光束，即使用三组互相垂直的反向传播的照射中性原子，这样，原子可在6个不同的方向受到阻尼，原子的热运动就会被减慢而逐渐被冷却，这就是激光致冷的原理。

三组互相垂直的反向传播激光束阻尼原子的热运动

多普勒冷却通常还和磁阱配合使用，这种磁-光阱的方法是迄今为止最常见的激光制冷的方法。

1985年，美国国家标准与技术研究院的Phillips (Willam Daniel Phillips, American)和斯坦福大学的朱棣文(Steven Chu, American, 1948–) 首先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。实现了激光冷却原子的实验，并得到了240μK的钠原子气体。

Steven Chu, American (1948– )

就像一个快跑的人，一下子跑到挤满人的广场上，无论向哪个方向跑都会和其他人碰撞，不得不减慢速度。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”，即用光子将原子“粘”住。但多普勒冷却有一定限度。

1987年，朱棣文又设计了一个“磁光阱”捕捉原子，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被收集在坑内存起来。其后，Phillips和Cohen-Tannoudji (Claude Cohen-Tannoudji, French)又在朱棣文研究的基础上，进一步降低了激光冷却的温度和改进了捕捉原子的方法，冷却温度达到了1 μK以下，这时候的原子就只有慢慢爬行，束手就擒的份了。

朱棣文博士在做实验

这三位科学家发明的激光和磁阱技术制冷方法，使得对单个原子及其内部结构进行精确的研究成为可能，大大地拓展了人们对辐射与物质之间相互作用的认识。特别是他们开创了一条新的道路，使人们对低温状态下空气的量子物理特性加深了理解，因此，他们也分享了1997年的诺贝尔物理学奖。朱棣文是继杨振宁、李政道、丁肇中和李远哲之后第5位获诺贝尔奖的华裔学者。

在室温下，空气中的原子和分子以4000km/h的速度运动，当温度下降时其速度会随之降低。但即使达到-270℃，其运动速度仍达到400km/h。只有在-273℃以下，速度才会大大下降，如达到１μK时，速度降为25cm/s。

1995年，朱棣文等利用激光制冷的方法曾捕集到温度仅为24pK(2.4x10-11K)的一群钠原子，这是目前为止实验室内达到的最低温度，也是运动速度最缓慢的原子了，这已非常接近绝对零度了。