激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚.ppt

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1、激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚什么叫激光冷却利用激光光子和原子间的动量传递,使原子云(团)的速度分布范围压缩。利用激光光场形成的势阱对原子进行捕陷或囚禁。温度温度实际上反映了空气中分子的运动能量的大小，温度越低，空气分子平均动能越小。根据气体分子的麦克斯韦分布有不同温度定义多普勒冷却极限温度参与冷却激光冷却力与冷却过程中自发辐射引起的扩散达对原子共同作用到平衡的结果。Na238KRb142KCs120K量子反冲极限温度原子速度分布在一个光子反冲以内，即Na2.4μKRb0.37μKCs0.20μK一、概述1、激光冷却研究对象：原子在光吸收和反射过程中所受的力学效

2、应及其应用等问题。2、光子的动量-康普顿效应康普顿效应(1923)当看成微粒入射的X射线与物质内的电子撞击时，电子将使x射线微粒散射撞向至与入射方向不同的方向上，即x射线微粒改变运动方向，故其动量发生变化。爱因斯坦跃迁理论（1916）受激吸收自发辐射受激辐射激光冷却的发展历史1933年由Firsch用钠灯使钠原子束发生略微的偏转。1975年Hansch和Shawlow提出激光冷却1978年Ashkin提出原子俘获的想法1979年Balykin、Letokhov等啁啾激光原子束减速1982年Phillips等空间塞曼原子变频原子束减速1985年朱棣文实现原子三维冷却1

3、986年实现三维原子捕获（10-4K）1987年亚多普勒冷却(10-5K)1992年喇曼激光冷却1994年相干布居数囚禁实验(10-7K)1995年实现波色-爱因斯坦凝聚(nK)原子束的减速利用共振激光与原子束对射，在原子受激吸收过程中，光子的定向动量传给原子，使原子减速。然后，原子自发辐射回到基态。这时，发射光子方向是任意的，从大量平均效果来说，自发辐射对原子动量改变贡献为零。需注意的两个问题多普勒频移原子减速过程中由于多普勒效应实际感受的的频率为原子与光束反向时，共振频率向频率较低处移动（红移）；同向时，共振频率向高处移动（蓝移）。对于钠原子束600°K，平均速

4、度在1000米/秒，每吸收一个光子速度改变3厘米/秒，需要吸收3×104个光子才能将原子速度减至零。但由于多普勒效应的影响，冷却过程中原子共振频率是不断变化的，原子吸收100个光子由于多普勒频移的改变就会离共振。使冷却过程终止。光抽运原子基态是多重的，而作用光只能与其中的一对基态和激发态共振，在自发辐射过程中，原子又不一定回到基态，可能被光抽运到其他基态能级，从而使冷却停止。光抽运问题的解决1、用多个频率的光共同作用2、用圆偏振光扫频（啁啾）减速空间塞曼能级变化可以制造一空间变化的磁场，使塞曼能级变化抵消冷却引起的多普勒频移变化多普勒冷却三维多普勒冷却（光学粘胶）

5、S.Chu1985光陷阱利用光的偶极势囚禁原子缺点：有自发辐射存在的加热效应冷却后原子的囚禁磁陷阱利用磁场空间变化囚禁原子缺陷：在B=0附近原子会磁矩迷失，从而发生逃逸。磁光陷阱温度测量飞行时间法通过测量原子云在自由下落过程中的扩散情况，测量原子云中原子速度的分布情况，从而求得温度。多普勒冷却的突破1985年美国NIST小组得到了一些用多普勒理论无法解释的结果。在磁光陷阱中得到原子云的温度低于多普勒极限温度。与此同时，中科院上海光机所王育竹也在原子束上观察到一维冷却低于多普勒极限温度的情况。西西弗斯效应原子在强驻波场中，由于斯塔克效应能级会随场强变化，原子通常在走到

6、基态顶部更易吸收红移光子到达激发态底部，而激发态原子消耗动能到达顶部，这时，自发辐射的几率最大，放出蓝移光子，回到基态低部，原子再消耗动能爬上基态的低部，再一次吸收红移光子到达激发态底部。这样不断吸收红移光子放出蓝移光子使原子动能不断消耗，而被冷却。偏振梯度冷却亚反冲极限冷却速度选择相干布居数囚禁原子存在一个与速度有关而与光无关的黑态，可作为原子的囚禁态喇曼冷却利用原子喇曼跃迁，对原子有速度选择的作用，从而达到冷却原子的目的。速度选择相干布居数囚禁对于原子和光场组成的系统，光场、原子与原子和光的相互作用的哈密顿算子HA、HL和VAL对于态组成的基组的总哈密顿量为其中

7、ωR为拉比频率。对于态有即光场和该态没有作用，这个态被称为黑态。喇曼冷却蒸发冷却与波色-爱因斯坦凝聚什么是波色-爱因斯坦凝聚？当原子云的密度和温度达到一定的限度，使得原子与原子间的物质波发生交叠，原子出现了群体得效应，如超导、超流等。如果原子相空间密度达到可观察到波色-爱因斯坦凝聚。蒸发冷却磁陷阱的堵漏波色-爱因斯坦凝聚的实现玻色-爱因斯坦凝聚性质(1)BEC的静态性质BEC的静态性质主要指它的大小、形状、转变温度、凝聚态原子数和原子密度等。这取决于原子的特性与囚禁势的不同。BEC的大小为10μm～100μm量级。由于势阱中的势是各向异性的，因此多数BEC的形状