激光冷卻固體也被稱(chēng)之為光學(xué)冰箱，其概念早在1929年就由德國(guó)物理學(xué)家彼得 普林斯海姆提出。
一、絕對(duì)零度的需求
我們知道，日常生活中經(jīng)常需要用到這種種降溫手段，在工業(yè)生產(chǎn)里面，降溫更是至關(guān)重要。常用的空調(diào)或者冰箱并不能夠?qū)囟雀淖兲啵疃嘁簿湍軌蜻_(dá)到零下幾十?dāng)z氏度的樣子。
然而，在很多科學(xué)研究工作中，科學(xué)家需要非常低的溫度，也因此需要更多不同的降溫措施。比如說(shuō)研究超導(dǎo)體，就往往需要在接近絕對(duì)零度的溫度下進(jìn)行測(cè)量和研究。這些一般是通過(guò)和液氮（77K，零下196攝氏度）或者液氦（4.2K，約零下269攝氏度）相接觸來(lái)將實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)保持在那么低的溫度，或者通過(guò)和稀釋制冷機(jī)相接觸來(lái)獲得僅僅比絕對(duì)零度高幾個(gè)毫K（千分之一度）的溫度。
更進(jìn)一步，在關(guān)于冷原子氣體的研究中，需要用非直接接觸的方法獲得比這些還要更接近絕對(duì)零度的溫度，這就需要激光來(lái)幫忙了。
二、用激光來(lái)制冷？可能嗎？
提到激光，我們首先想到的可能是光盤(pán)光驅(qū)、激光筆、商品條形碼、指星筆等生活中的各種應(yīng)用。大家可能還會(huì)想到，激光具有很高的能量，我們印象中的激光往往是灼熱和明亮的代言詞：指星筆有可能傷到眼睛；在皮膚醫(yī)院里，激光被用來(lái)“燒”掉人們身上的紋身；在有些工廠(chǎng)里面，激光甚至能夠用來(lái)切割金屬。激光能用來(lái)降溫嗎？
能的。利用激光冷卻技術(shù)，科學(xué)家們能夠獲得僅僅比絕對(duì)零度高出不到千分之一度的低溫。物理學(xué)里面常用的溫度標(biāo)準(zhǔn)叫做絕對(duì)溫度，單位為開(kāi)爾文（K），一個(gè)開(kāi)爾文和一攝氏度的單位是一樣的。絕對(duì)零度（0K）是-273.15攝氏度，室溫相當(dāng)于大約300開(kāi)爾文。要記得，我們只能盡量接近絕對(duì)零度，而不能達(dá)到。
1985年的時(shí)候，美國(guó)斯坦福大學(xué)的朱棣文教授（現(xiàn)任美國(guó)能源部部長(zhǎng)）等人首先利用激光冷卻技術(shù)將鈉的原子氣體冷卻到了240微開(kāi)爾文的溫度（僅比絕對(duì)零度高出一百萬(wàn)分之二百四十度）。朱棣文進(jìn)行的激光冷卻實(shí)驗(yàn)是利用三對(duì)相互垂直的激光束進(jìn)行的。在這種光場(chǎng)中，原子不僅因受粘滯力而被冷卻，而且還受梯度力被囚禁于光束交匯區(qū)中。這種囚禁類(lèi)似于微粒在粘稠的液體中作布朗運(yùn)動(dòng)的情況。由于阻尼力的作用，原子的運(yùn)動(dòng)速度很慢，每擴(kuò)散1厘米需要1秒鐘。如果沒(méi)有光場(chǎng)的作用，原子擴(kuò)散1厘米只需20毫秒。因此，將這種囚禁作用稱(chēng)為“光學(xué)粘膠”。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到鈉原子氣體的溫度為240μK，測(cè)量的結(jié)果與理論預(yù)言相符合。
當(dāng)時(shí)工作模型
1997年，朱棣文因此項(xiàng)工作和法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院的ClaudeCohen-Tannoudji教授以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的WilliamD.Phillips教授分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
三、原理是什么呢
大家可以想象一個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)的場(chǎng)面。失控的戰(zhàn)車(chē)沖向戰(zhàn)壕，戰(zhàn)壕里的戰(zhàn)士向戰(zhàn)車(chē)不斷開(kāi)槍?zhuān)訌棑糁袘?zhàn)車(chē)并彈向四面八方。如果仔細(xì)看戰(zhàn)車(chē)的速度，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)由于子彈的撞擊，戰(zhàn)車(chē)的速度會(huì)越來(lái)越小，激光冷卻原子便是相似的過(guò)程。如上圖顯示的，激光器發(fā)出的光子就像子彈一樣，如果光子在鈉原子上發(fā)生“散射”，那么向右運(yùn)動(dòng)的鈉原子在激光的作用下速度會(huì)越來(lái)越慢。仔細(xì)說(shuō)來(lái)，光子在鈉原子上發(fā)生的并不是散射，而是光子將鈉原子的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后電子躍遷回來(lái)的時(shí)候會(huì)放出一個(gè)方向不確定的光子。在一段時(shí)間內(nèi)，鈉原子吸收的光子有特定方向，而放出的卻沒(méi)有，所以原子會(huì)被光束減速。這樣，原子的動(dòng)能有個(gè)和光子的能量相關(guān)的不確定性，這也給出了激光冷卻能夠得到的溫度。
如果你還沒(méi)有意識(shí)到“速度變慢”和降溫的關(guān)系的話(huà)，那么讓我來(lái)提醒一下。我們所說(shuō)的溫度，在物理學(xué)家看來(lái)，其實(shí)描述了構(gòu)成物體的那些微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。粒子運(yùn)動(dòng)的平均速度越大，物體溫度就越高，越小則溫度越低。熱力學(xué)溫度里的絕對(duì)零度（即零下273.15攝氏度），便是當(dāng)所有粒子運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)的溫度。這是一個(gè)極限溫度，沒(méi)有任何人可以實(shí)現(xiàn)真正的絕對(duì)零度，但科學(xué)家正在朝著這個(gè)方向一步一步邁進(jìn)，激光冷卻技術(shù)便是其中的關(guān)鍵一步。當(dāng)一團(tuán)鈉原子氣體里的大部分原子被激光漸漸減速，氣體對(duì)應(yīng)的溫度也越來(lái)越低，這樣就實(shí)現(xiàn)了“降溫”的過(guò)程。
但你也許會(huì)問(wèn)，怎么這么巧，納原子剛好向著激光的方向運(yùn)動(dòng)，它不應(yīng)該是四面八方的嗎？惹不起，還躲不起嗎？
高壓鈉燈的發(fā)射譜線(xiàn)
需要這考慮到光和原子相互作用的問(wèn)題——并不是所有波長(zhǎng)的激光都能夠和原子相互作用。原子內(nèi)部的電子能級(jí)發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)放出或者吸收特定波長(zhǎng)的光，這構(gòu)成了原子的發(fā)射光譜或者吸收光譜。每一條譜線(xiàn)都是有一定的寬度，光波長(zhǎng)越接近吸收譜線(xiàn)的中心位置，激光就越容易影響原子，原子只會(huì)對(duì)這些特定顏色的光起反應(yīng)，而對(duì)遠(yuǎn)離譜線(xiàn)位置的光視而不見(jiàn)。
為了冷卻所有的原子，我們需要能夠控制減慢哪些原子。對(duì)于向著激光運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，我們希望能減慢他們的速度，對(duì)于遠(yuǎn)離激光運(yùn)動(dòng)的原子來(lái)說(shuō)，我們不希望把它們推的越來(lái)越快。激光冷卻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，得益于多普勒效應(yīng)的存在。光波和聲波都是波動(dòng)，當(dāng)物體相對(duì)于波動(dòng)的源頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它感受到的波長(zhǎng)和頻率都會(huì)發(fā)生變化。向著我們運(yùn)動(dòng)的火車(chē)發(fā)出的鳴笛，聽(tīng)起來(lái)要比遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的火車(chē)聲調(diào)要高一些。同樣，遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的恒星發(fā)出的光，在我們看來(lái)要顯得波長(zhǎng)更長(zhǎng)、頻率更低一些。
激光冷卻原子的示意圖，選擇激光的波長(zhǎng)在原子譜線(xiàn)偏紅（波長(zhǎng)偏長(zhǎng)）的一側(cè)，這樣可以實(shí)現(xiàn)原子的減速。
這樣，只要我們將激光的波長(zhǎng)選擇在原子譜線(xiàn)略微比中心位置的波長(zhǎng)大一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長(zhǎng)會(huì)顯得短一些（藍(lán)移），因此作用強(qiáng)烈；而背離激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長(zhǎng)會(huì)更長(zhǎng)一些（紅移），因此不會(huì)受到作用。這樣，如果在前后左右上下六個(gè)方向都有一束激光的話(huà)，就可以保證把原子的速度降低下來(lái)。通過(guò)這種方法，科學(xué)家們可以將原子氣體的溫度降低到絕對(duì)零度之上不到千分之一度的低溫。
四、激光冷卻應(yīng)用與新進(jìn)展
激光冷卻超冷原子不僅在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中有重要學(xué)術(shù)價(jià)值，而且在高科技中也具有重大的應(yīng)用前景。特別是對(duì)于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)研究、廣義相對(duì)論的驗(yàn)證、原子頻標(biāo)和原子干涉儀研制等。
2002年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予美國(guó)科學(xué)家維曼(CarlE.Wieman)、康奈爾(EricA.Cornell)和德國(guó)科學(xué)家克特勒(Wolfgang.Ketterle)，表彰他們?cè)趯?shí)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚工作中做出的突出貢獻(xiàn)。
2003年，麻省理工與美國(guó)宇航局科學(xué)家聯(lián)合進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)達(dá)到5x10^(-10)℃納開(kāi)爾文。
2009年，德國(guó)波恩大學(xué)的研究人員應(yīng)用激光冷卻，在幾秒內(nèi)使稠密的銣氣便從350℃驟降至280℃。
2014年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院李天初和同事們共同努力，將NIM5噴泉鐘度達(dá)到2000萬(wàn)年不差一秒，被接收為國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一。?使我國(guó)成為第8個(gè)參與駕馭國(guó)際原子時(shí)的國(guó)家，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生過(guò)程中不僅擁有話(huà)語(yǔ)權(quán)，更具備了表決權(quán)。
2015年，麻省理工學(xué)院科學(xué)家激光冷卻鉀鈉氣體分子，達(dá)到了5x10^(-7)℃。
英國(guó)薩塞克斯大學(xué)官網(wǎng)稱(chēng)，該校物理學(xué)家使用微波輻射，將單個(gè)原子冷卻到了絕對(duì)零度（-273.15攝氏度）附近。
激光冷卻和捕陷氣體原子研究已發(fā)展了30年，在各國(guó)實(shí)驗(yàn)室中激光冷卻和捕陷氣體原子已成為獲得超冷原子的典型方法和技術(shù)。但新的激光冷卻機(jī)制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特別是微結(jié)構(gòu)勢(shì)阱中的激光冷卻和囚禁氣體原子(分子)技術(shù)的研究仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)課題。