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1、1 诺贝尔奖与光学 激光及其应用 激光使原子减速 1997年诺贝尔物理奖 获奖者 朱 棣文 朱棣文 (1948-), 华裔科学家，美国公民。1976年毕业于美国加州大学伯克利分校，获物理学博士学位，留校做了两年博士后 ,加入贝尔实验室， 1983年任贝尔实验室量子电子学研究部主任， 1987年应聘斯坦福大学物理学教授， 1990年任斯坦福大学物理系主任。他因开发了激光冷却和陷俘原子的技术获 1993年费萨尔国王国际科学奖。同年被选为美国科学院院士 . 朱棣文 09年起任美国 能源部部长 2 获奖者 -科恩 塔诺季 科恩塔诺季 1933年出生于阿尔及利亚 ,法国公民， 1962年在巴黎高等师范学
2、院获博士学位。 1973年在法兰西学院任教授。法国科学院院士。由于在激光冷却和陷俘原子的开创性实验，他获得多项奖励，其中有 1996年欧洲物理学会颁发的量子电子学奖 获奖者 -菲利普斯 菲利普斯 1948年出生于美国宾夕法尼亚， 1976年在麻省理工学院获物理学博士学位。由于他在激光冷却和陷俘原子方面的实验研究，曾经获得多项奖励，其中有富兰克林学院 1996年的迈克耳孙奖 3 在原子冷却领域 有突出贡献的其他科学家 汉斯、肖洛于 1975年提出建议用相向传播的激光束使中性原子冷却 王育竹，中国科学院院士，上海光机所研究员。 70年代末率先开展激光冷却原子的研究 要解决的几个问题 原子冷却及其意
3、义 冷却的原理 为何用激光对原子冷却 冷却原子的装置 应用前景 原子冷却及其意义 气体原子或分子在通常状态下处于无规则的热运动状态。室温下原子、分子在空气中的运动速度约为每秒 300米的量级，比一般的喷气式飞机还快。即使降温到摄氏零下 196度，氮分子的运动速度仍高达每秒 150米，而氦原子在摄氏零下 168度时的运动速度仍为每秒 90米。原子过高的运动速度使得人们对它们的观察和测量变得极为困难 原子冷却及其意义 为了准确的研究原子及其内部结构，物理学家们就要设法将原子运动的速度放慢直至相对静止的状态。原子的运动越激烈，物体温度越高，运动越慢，温度就越低。反过来，如果能将原子的温度降低，就会减
4、慢它的运动速度，因此也就可以更容易观察到原子运动的状态 4 原子冷却及其意义 20世纪 80年代发展起来的激光冷却原子技术解决了这一难题 激光冷却：就是在激光的作用下，使高速运动的原子的温度降低，也就是使原子的热运动减慢 冷却的原理 当行进中的原子遇到迎面而来的光子时 ,只要光子的频率和原子的固有频率一致，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。同时，原子又因跃迁而发射同样的光子，它发射的光子是朝着四面八方的，实际效果原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低值。动量和速度成正比，动量越小，速度也越小 , 达到了冷却的目的 为何用激光对原子冷却 只有光子的能量和原子的能级差相等时
5、，原子才可以吸收光子发生跃迁 光子能量 E=h 则能量一定时，频率必然一定 激光具有良好的单色性，因此用激光照射行进中的原子效果最佳 冷却时要考虑光的多普勒效应，适当降低激光的频率（比较原子能级差有红移 ) 冷却原子的装置 1985年朱棣文等在贝尔实验室用两两相对，沿三个正交方向的六束激光使原子减速 真空中的一束钠原子被迎面而来的激光束阻止后，把钠原子引进六束激光的交汇处 5 冷却原子的装置 激光束比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移。其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌
6、豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。这种机制称作“光学粘胶”。 冷却原子的装置 激光俘获原子实验 冷却原子的装置 上述实验中原子只是被冷却，并没有被陷俘。重力会使它们在 1秒钟内从光学粘胶中落下来。为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。 1987年做成了一种很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。它用六束激光，再加上两个磁性线圈，以便给出略微可变化的磁场，其最小值处于激光束相交的区域。由于磁场会对原子的特征能级起作用（这种作用叫做塞曼效应），就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。这时原子虽然没有真正被捉住，但却被激光和磁场约束在一个很小的
7、范围里，从而可以在实验中加以研究或利用 6 原子冷却的应用 测量原子两个量子态之间的能量差 验证多普勒极限 建立最精确的原子钟 制造重力测量仪 制造原子 “物质波”激光器 开创新的科学 1995年美国国家标准局和科罗拉多大学的 Eric Cornell及其合作者利用激光冷却和其他方法结合，在实验上使原子发生了玻色 -爱因斯坦凝聚 (当原子之间的距离足够近、热运动速度足够慢时会发生相变，变成一种新的物质状态 . 1924年玻色和爱因斯坦提出理论模型 ) . 2001年诺贝尔物理学奖 埃里克 科内尔 (美国 )、沃尔夫冈 科特勒 (德国 )、卡尔 维曼 (美国），获 2001年诺贝尔物理奖 贡献：
8、碱金属原子稀薄气体的玻色 -爱因斯坦凝聚(BEC） 玻色 -爱因斯坦凝聚 态 1924 年印度物理学家玻色提出以不可分辨的 n 个全同粒子的新观念，使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设，也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设，这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题。他将遭到退稿的论文寄给爱因斯坦，爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究，并于1924 和 1925 年发表两篇文章，将玻色对光子 (粒子数不守恒 )的统计方法推广到原子 (粒子数守恒 )，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变 新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低
9、的能量状态，这就是玻色 -爱因斯坦凝聚。 7 实验验证 在理论提出 70年之后， 2001年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象（ 1995年） 实验是利用碱性原子实现的，碱性原子形成的冷凝态，是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态，可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究 建立最精确的原子钟 新华社北京 2006年 11月 29日新闻 : 我国通过与多个国家进行科技合作，成功研发出铯原子喷泉钟，使我国时间频率基准的精度从 30万年不差 1秒提高到 600万年不差 1秒，标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列。铯原子喷泉钟采用的是 “激光冷却和囚禁原子原理和技术” NIM4激光冷却 -
10、铯原子喷泉时间频率基准装置 （ 2006年国家科技进步奖一等奖） 两亿年误差不足一秒 锶原子钟 2008年美国华裔科学家叶军成功领导一个研究小组成功制造出全球最准确的时钟，两亿年误差不足一秒。 它是一个锶原子钟，估计将可大大促进不同的电讯网络的发展，以及使全球各地的船只导航变得更为准确。 此钟时针根据数千颗存于镭射栅极的锶原子的摆动次数跳动。锶属于超冷原子，由于此类原子只吸收某些特定频率的光线，而频率就是以每秒钟的摆动次数计算，因此它们可以充当原子钟的“钟摆”。 锶吸收的光线的频率为每秒四百三十万亿次，高于以往其它原子钟的原子，因此时针跳动的速度更为准确，连美国标准时间所根据的铯原子喷泉钟的准确度也只有它的一半。 8 2005 诺贝尔物理奖 罗伊 格劳伯 约翰 霍尔 特奥多尔 亨施 （量子相干与通信） （光频标和光钟） 飞秒激光的创新应用！
