在現代物理學中，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域帶來了無限可能。在量子力學和光學的交匯點上，激光冷卻成為一項突破性技術。它可以將物質冷卻到極低的溫度，為這些領域的進步鋪平了道路。

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，這種技術在激光發(fā)明之前就已經有了概念。然而，直到 20 世紀 70 年代，朱棣文及其同事才通過實驗證明了這一概念。他們的開創(chuàng)性工作揭示了利用激光精確控制原子的動量，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 在激光冷卻技術發(fā)展方面的開創(chuàng)性貢獻，他們于 1997 年被授予諾貝爾物理學獎。

本文將深入探討激光冷卻的具體細節(jié)，研究其原理、方法以及在量子模擬和精密計量學中的應用，突出其在推動現代物理學和技術發(fā)展中的作用。

激光冷卻方法

激光冷卻方法因冷卻系統(tǒng)而異。在氣態(tài)系統(tǒng)中，原子的動量被捕獲在其平移自由度中，而在固態(tài)系統(tǒng)中，原子的動量被儲存在晶格振動（也稱為聲子）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量，在不同的系統(tǒng)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。這一過程可有效減少系統(tǒng)的動量，從而實現冷卻。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現超低溫。

基本光學冰箱的剖視圖。完整的光學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的基礎，依賴于原子與激光的相互作用。該方法采用簡單的兩能級體系，可用于中性原子和離子。

這種技術是指以一定速度運動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減弱原子的動量，從而促進冷卻。這種方法可達到的最低溫度（稱為多普勒極限）約為 100 μK。

相關自由度，可用于不同起始溫度下的激光冷卻。平移是通過多普勒效應冷卻的，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，通過反斯托克斯熒光的聲子湮滅冷卻振動是可行的。后一種情況通常在固體中得到滿足，這種方法就是固體的光學制冷。資料來源：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低溫冷卻器低溫運行所必需的。輸出功率超過 20 W，斜率效率大于 40%。(b) 通過腔內 Yb:YLF 冷卻元件達到 131 K 的光學制冷溫度（激光器的腔體布局見插圖，激光器腔體完全封閉在一個真空室中，圖中未示）。在室溫下自啟動激光作用后，振蕩波長通過腔內雙折射濾波器（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行冷卻。它利用了原子在光學晶格內的周期性運動，光學晶格由正交偏振激光束形成。當原子穿過該晶格時，它們會遇到空間變化的能量景觀，從而減小其動量，進而降低溫度。西西弗斯冷卻所能達到的最低溫度（通常稱為反沖極限）在 0.1 至 1 μK 之間。

3、蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻是實現超低溫的一種獨特方法。它是利用射頻或微波技術，有選擇性地將最熱原子從捕獲的超冷氣體中移除。這一過程降低了剩余原子的平均動能，從而降低了整體溫度。蒸發(fā)冷卻在實現量子簡并（一種原子表現出集體量子力學行為的狀態(tài)）方面發(fā)揮了關鍵作用。

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(tǒng)和物理學基礎研究等廣泛應用中的精確計時和同步至關重要。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€(wěn)定性和精確性。近來，激光冷卻原子鐘在大地測量、電信和太空探索等領域取得了重要發(fā)展。

光學時鐘運行。資料來源：Ye, J., & Katori, H. (2017)，《Optical Lattice Clocks and Quantum Metrology》，《arXiv preprint》。

光學晶格中的光譜學。資料來源：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發(fā)中發(fā)揮著重要作用。激光冷卻原子的長相干時間為實現量子門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的幫助下，研究人員旨在解決經典計算機無法解決的復雜計算問題，包括密碼學和材料科學。

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

3、精密計量學與基礎物理學

激光冷卻技術在理解物理定律方面發(fā)揮了關鍵作用。它能夠精確測量物質的基本常數和屬性。此外，在激光冷卻原子的幫助下，還設計了一些實驗來測試量子力學原理，研究引力和慣性力的極限。它還在探索玻色-愛因斯坦凝聚和量子簡并等新現象方面發(fā)揮了重要作用。

最新發(fā)展與研究

激光冷卻技術領域的最新發(fā)展為科學研究開辟了新的道路。其中一項重大突破是混合冷卻技術的使用。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、精密光譜學和量子信息處理等領域的研究能力。

最近發(fā)表的論文進一步將激光冷卻技術的應用擴展到復雜的量子系統(tǒng)，包括極性分子和對稱頂分子，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 定位為量子科學領域（包括但不限于量子模擬和計算進步）中一個極具應用前景的實體。

激光冷卻和再泵送方案。資料來源：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。這一進展將徹底改變分子操作和觀察的方法。

分子能量圖和實驗裝置。資料來源：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》。

跨學科研究工作的匯聚促進了激光冷卻與原子捕獲技術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(tǒng)在內的各種領域應用。

挑戰(zhàn)

盡管激光冷卻技術不斷進步，但要充分發(fā)揮其潛力仍面臨巨大挑戰(zhàn)。復雜的實驗裝置和對實驗參數精確控制的需求，給激光冷卻技術的實施帶來了重大挑戰(zhàn)。此外，雜散光、與殘留氣體的相互作用以及磁場等外部參數會導致捕獲原子退相干，從而降低該技術的效率。

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

未來展望與結論

激光技術、量子光學和材料科學的最新進展為激光冷卻技術令人振奮的未來奠定了基礎。釋放這一潛力的關鍵在于提高激光冷卻方法的效率、可擴展性和多功能性。這些改進不僅有望帶來突破性的發(fā)現，而且有望帶來重新定義技術前沿的創(chuàng)新。

將激光冷卻原子和離子與量子網絡和傳感器等新興量子技術相結合，有望改變通信、傳感和計算方式。此外，開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。

當前激光冷卻技術的進步為超冷物質技術的革命性應用鋪平了道路。這些進步不僅擴大了我們的精確測量能力，也為探索量子力學的奧秘提供了無與倫比的機會。

總之，激光冷卻正在超越理論物理學的界限，涉足量子力學、精密計量學和量子計算領域。在未來，利用最冷的溫度可能會帶來最重大的發(fā)現，突破科學和技術上可實現的極限。（參考文獻略，來源：光電查）