在現代物理學中，對原子和分子溫度的精確操縱和控製為(wei) 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(wei) 一項突破性技術。它可以將物質冷卻到極低的溫度，為(wei) 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(ti) 溫度的技術，這種技術在激光發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(men) 的開創性工作揭示了利用激光精確控製原子的動量，可以將原子冷卻到接近絕對零度的溫度。由於(yu) 朱棣文、Claude Cohen-Tannoudji 和 William D. Phillips 在激光冷卻技術發展方麵的開創性貢獻，他們(men) 於(yu) 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(ti) 細節，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展中的作用。

激光冷卻方法

激光冷卻方法因冷卻係統而異。在氣態係統中，原子的動量被捕獲在其平移自由度中，而在固態係統中，原子的動量被儲(chu) 存在晶格振動（也稱為(wei) 聲子）中。盡管存在這些差異，但激光冷卻的總體(ti) 目標--利用激光減少原子的動量，在不同的係統中保持一致。

Photodigm 公司的 DBR 激光器可用於(yu) 激光冷卻、原子捕獲，原子鍾、光子糾纏等實驗。

Sacher Lasertechnik 公司的 Micron Laser 係列 ECDL 激光器可用於(yu) 激光冷卻、原子捕獲，原子鍾、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，然後以隨機方向重新發射光子。這一過程可有效減少係統的動量，從(cong) 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。完整的光學製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，依賴於(yu) 原子與(yu) 激光的相互作用。該方法采用簡單的兩(liang) 能級體(ti) 係，可用於(yu) 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於(yu) 其共振頻率的激光。由於(yu) 多普勒效應，原子的感知頻率高於(yu) 激光頻率，從(cong) 而吸收光子。隨後的反斯托克斯熒光會(hui) 減弱原子的動量，從(cong) 而促進冷卻。這種方法可達到的最低溫度（稱為(wei) 多普勒極限）約為(wei) 100 μK。

相關(guan) 自由度，可用於(yu) 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(ti) 中發揮作用。分子碰撞產(chan) 生的輻射再分布也可用於(yu) 冷卻稠熱氣體(ti) 中的平移自由度。在中間溫度範圍內(nei) ，通過反斯托克斯熒光的聲子湮滅冷卻振動是可行的。後一種情況通常在固體(ti) 中得到滿足，這種方法就是固體(ti) 的光學製冷。資料來源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。

(a) 垂直腔麵發射激光器（VECSEL）的輸出可調諧性是腔內(nei) 光學低溫冷卻器低溫運行所必需的。輸出功率超過 20 W，斜率效率大於(yu) 40%。(b) 通過腔內(nei) Yb:YLF 冷卻元件達到 131 K 的光學製冷溫度（激光器的腔體(ti) 布局見插圖，激光器腔體(ti) 完全封閉在一個(ge) 真空室中，圖中未示）。在室溫下自啟動激光作用後，振蕩波長通過腔內(nei) 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(ya) 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(nei) 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(men) 會(hui) 遇到空間變化的能量景觀，從(cong) 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(wei) 反衝(chong) 極限）在 0.1 至 1 μK 之間。

3、蒸發冷卻

蒸發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(cong) 捕獲的超冷氣體(ti) 中移除。這一過程降低了剩餘(yu) 原子的平均動能，從(cong) 而降低了整體(ti) 溫度。蒸發冷卻在實現量子簡並（一種原子表現出集體(ti) 量子力學行為(wei) 的狀態）方麵發揮了關(guan) 鍵作用。

激光冷卻的應用

1、原子鍾和精密測量

原子鍾對於(yu) 全球導航係統和物理學基礎研究等廣泛應用中的精確計時和同步至關(guan) 重要。激光冷卻原子是原子鍾的重要組成部分，因為(wei) 它們(men) 為(wei) 原子鍾提供了穩定性和精確性。近來，激光冷卻原子鍾在大地測量、電信和太空探索等領域取得了重要發展。

光學時鍾運行。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中發揮著重要作用。激光冷卻原子的長相幹時間為(wei) 實現量子門和存儲(chu) 量子信息提供了精妙的控製。在激光冷卻和量子力學的幫助下，研究人員旨在解決(jue) 經典計算機無法解決(jue) 的複雜計算問題，包括密碼學和材料科學。

OEwaves 公司的 Hi-Q®超窄線寬激光器係列可用於(yu) 光學計量和光譜學、量子計算、量子通信、量子傳(chuan) 感等應用場景。

3、精密計量學與(yu) 基礎物理學

激光冷卻技術在理解物理定律方麵發揮了關(guan) 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並等新現象方麵發揮了重要作用。

最新發展與(yu) 研究

激光冷卻技術領域的最新發展為(wei) 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。這種創新方法不僅(jin) 擴大了原子和分子物種的冷卻範圍，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。

最近發表的論文進一步將激光冷卻技術的應用擴展到複雜的量子係統，包括極性分子和對稱頂分子，拓寬了潛在研究的視野。

發表在《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(wei) 量子科學領域（包括但不限於(yu) 量子模擬和計算進步）中一個(ge) 極具應用前景的實體(ti) 。

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》。

隨後的研究也發表在《Nature》上，開發了一種用於(yu) 操縱超冷多原子分子的光鑷陣列。他的陣列不僅(jin) 有助於(yu) 精確控製分子內(nei) 部的量子態，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(yu) 原子捕獲技術相結合的集成平台的發展。這些創新最終造就了小巧、便攜的冷原子裝置。這些器件將重新定義(yi) 包括慣性傳(chuan) 感、量子通信和導航係統在內(nei) 的各種領域應用。

挑戰

盡管激光冷卻技術不斷進步，但要充分發揮其潛力仍麵臨(lin) 巨大挑戰。複雜的實驗裝置和對實驗參數精確控製的需求，給激光冷卻技術的實施帶來了重大挑戰。此外，雜散光、與(yu) 殘留氣體(ti) 的相互作用以及磁場等外部參數會(hui) 導致捕獲原子退相幹，從(cong) 而降低該技術的效率。

將激光冷卻技術擴展到更大的係統或複雜的分子仍然是一項艱巨的挑戰，需要創新的方法來克服技術限製和可擴展性問題。

未來展望與(yu) 結論

激光技術、量子光學和材料科學的最新進展為(wei) 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(guan) 鍵在於(yu) 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(jin) 有望帶來突破性的發現，而且有望帶來重新定義(yi) 技術前沿的創新。

將激光冷卻原子和離子與(yu) 量子網絡和傳(chuan) 感器等新興(xing) 量子技術相結合，有望改變通信、傳(chuan) 感和計算方式。此外，開拓新的冷卻機製和探索複雜的量子態可以大大加深我們(men) 對量子世界的理解。

當前激光冷卻技術的進步為(wei) 超冷物質技術的革命性應用鋪平了道路。這些進步不僅(jin) 擴大了我們(men) 的精確測量能力，也為(wei) 探索量子力學的奧秘提供了無與(yu) 倫(lun) 比的機會(hui) 。

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(hui) 帶來最重大的發現，突破科學和技術上可實現的極限。（參考文獻略，來源：光電查）