原子的英文名（Atom）是從希臘語（atoms，“不可切分的”）轉化而來，其定義為化學變化中不可分割的最小單元。通常一個原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間。對於這樣一種比頭發絲直徑還小幾千幾萬倍的物體，甚至連世界上最精密的光學顯微鏡都無法直接觀測，我們可以把它抓住，任意地操縱它嗎？連量子力學的奠基人之一，偉大的物理學家薛定諤都對此表示極大的懷疑：“我們從來沒有用一個電子、原子或者其他分子做過實驗。在構想的實驗中，我們的假設總是導致可笑的後果……”。但伴隨著科技的發展和進步，在六十年前不可想象的實驗，現在不僅在實驗上實現了單個電子、單個離子、單個原子等的囚禁和操控，而且其相關的實驗技術已經在世界各地實驗室得廣泛應用。其中2012年諾貝爾物理學獎還授予塞爾日.阿羅什和大衛.維因蘭德，以表彰他們分別獨立發明並拓展了在保持單個粒子量子力學特性的前提下，測量和操縱它們的方法。那麽在這些單粒子中，單個原子到底是如何被捕獲？又如何可以讓這些單原子按照我們的意願去行動呢？

　　捕獲單原子的兩種方式

　　一是采用掃描隧道顯微鏡（STM）或原子力顯微鏡等在固體表麵捕獲並操縱單個原子。典型的工作是由IBM的科學家在二十世紀九十年代完成的。他們采用STM移動吸附在金屬表麵的原子來排列成各種形狀。尤其是用48個鐵原子在銅表麵形成半徑為7.13納米的量子空心圍欄，並觀察到囚禁表麵態電子形成的駐波。這種方案主要用於研究表麵電子與原子的相互作用、無缺陷表麵電子波衰減、電子與聲子激子相互作用等。另一種方法則是采用激光冷卻並捕獲氣相中的單個原子。典型的工作是在超高真空中采用磁光阱將原子冷卻到接近絕對零度（其典型溫度在絕對零度之上的萬分之一度）並囚禁，然後采用一個非常小的光阱,從中“挑”出一個原子。在這種情況下，一個原子幾乎從環境中孤立出來，是一個典型的量子體係，它將會展現出一係列匪夷所思的特性，如既是波又是粒子的波粒二象性（單原子物質波），既死又活的薛定諤貓態（單原子電子疊加態）、現在所走的路徑取決於未來的選擇（單原子的惠勒延遲選擇實驗）等。為了觀察到這些奇特的現象，我們需要將室溫下的原子冷卻到極低溫的狀態，意味著將原子的速度從幾百米每秒降到幾米甚至幾厘米每秒。怎麽辦呢？1997年諾貝爾物理學獎的得主們說，用激光！

　　 原子冷卻及單原子捕獲

　　在介紹激光冷卻的原理之前，大家需要先了解兩條基本的規則：1，原子會吸收頻率與其能級固有頻率共振的光子，越共振越容易吸收；2，多普勒效應，原子逆著光傳播方向運動時，感受到的激光頻率會變大，反之感受到激光頻率則變小。當原子在頻率略低於其能級固有頻率且相向傳播的一對激光束中運動時，由於多普勒效應，原子傾向於吸收與其運動方向相反的光子，吸收後再向各個方向各向同性地自發輻射出光子。平均來說，激光對原子的作用就是產生一個與原子運動方向相反的阻尼力，從而使原子向前的速度越來越慢。隻要在空間加上三對互相對射的激光束，那在三維空間六個方向上原子的速度都會被減慢下來。這就是斯坦福大學的朱棣文當時用於冷卻原子的“光學糖漿（Opticalmolasses）”，意指原子在裏麵就像小蟲子飛到糖漿裏一樣寸步難行。

圖1、左圖演示了速度為v的原子與動量為hk的光子相遇後，吸收光子後速度減小了hk/m，然後各向同性釋放光子後原子的總速度比最初降低了。右圖是實驗室拍到的三對激光形成的光學糖漿。

　　但這樣的“光學糖漿”隻能將原子減速冷卻下來，並不能捕獲原子。要想抓住單個原子，則需要好幾種技術的配合。首先是將原子囚禁在由特定梯度磁場與偏振激光相結合的磁光阱中。但這種磁光阱中囚禁下來的原子數目比較多，可以達到1010（和全世界人口差不多），溫度在100微開左右（就比絕對零度高萬分之一度）。對於單原子研究來說，這麽多原子實在是太多了，怎樣才能做到“弱水三千，隻取一瓢”的境界呢？有一種很簡單的方法：做一個超級小的阱，小到僅能容納一個原子。法國科學家在2001年將一束遠紅失諧的激光聚焦到焦點半徑小於1微米時，在焦點處就形成了一個這樣的光偶極阱。把這樣一個阱放到磁光阱中後，科學家就像挖了陷阱的獵人一樣等待：當有一個原子掉到光阱中時，磁光阱立刻關閉，停止向光阱中繼續裝原子，這樣就完成了單原子的捕獲；萬一有兩個及以上的原子同時掉到光阱中，由於各種輻射逃逸及碰撞損失機製，會讓這些原子以“迅雷不及掩耳之勢”從阱中會逃走，快到我們都無法反應。通過這樣簡單而有效的機製，我們就可以捕獲到單個原子，並進一步研究它的相關性質了。

　　
圖2單原子光偶極阱示意圖及阱中單原子信號。

　　既“死”又“活”的單原子

　　著名的“薛定諤貓”把微觀放射源所處的量子疊加態巧妙地與宏觀的貓聯係起來，形成了反直覺的既“死”又“活”的貓。而這種令人迷惑且吃驚的量子疊加態所引起的爭論至今還沒有平息，其中最著名當屬愛因斯坦的“上帝永遠不會擲骰子”。對於單個原子來說，實際情況到底如何，我們來看看實驗的結果如何。圖3顯示了我們用上麵的方法抓住一個單原子後，用拉曼光把原子製備到自旋向上和向下的疊加態，再探測原子處於自旋向上還是向下的狀態。如果把電子自旋向上定義為“活”的單原子，電子自旋向下定義為“死”的單原子，那麽我們可以看到在測量之前，永遠無法預測這次測量時原子的狀態是“死”還是“活”，這是一個量子隨機的結果。隨著測量次數的增多，“活”和“死”的原子數目比越來越接近1：1（因為我們製備的單原子疊加態波函數是），這樣探測到原子“活著”和“死了”的概率各一半。

　　
圖3探測既“死”又“活”的原子，原子的狀態是量子隨機的，測量次數越多，比值越接近1：1。

　　這種量子疊加態對於微觀粒子來說實在是再平常不過的狀態，而這恰恰是統治微觀世界的量子力學的核心秘密之一和魅力所在。在單原子體係上，目前科學家已經使最多2個原子達到“薛定諤貓”態。但如何使更多粒子構成的係統達到這種狀態並保存更長時間，已成為實驗物理學的一大挑戰，這種狀態不僅具有理論研究意義，也有實際應用的潛力，比如，製成容錯量子計算機的基本量子比特，可以用來製造極其靈敏的傳感器以及原子鍾、幹涉儀等精密測量裝備。
單原子是波還是粒子

　　我們知道光既可表現出粒子的形式，又可呈現出波動特征，這取決於實驗測量方法：對於時間的平均值，光表現為波動；對於時間的瞬間值，光表現為粒子性。而對於原子這樣一個有質量的物體，我們理所當然地認為它就是粒子，但是法國物理學家德布羅意告訴我們：不止光子，一切微觀粒子，都具有波粒二象性。對於單原子，其波動性表現為概率波，即原子在空間某點某時刻出現的概率大小是受波動規律支配的。這該如何理解呢？我們還是通過一個實驗來說明這個問題。

　　
圖4Mach-Zehnder型幹涉儀的原理圖。

　　圖4中是一個典型Mach-Zehner型原子幹涉儀的原理圖，我們用單個原子去完成這個實驗，通過事先設計好的一係列脈衝序列，將單原子先分束再合束，最後進行測量。由於我們每次隻用一個原子，當隻做一兩次這樣的實驗時，結果完全沒有任何規律，單原子粒子性得到完美表現，但重複次數達到10次以上後，幹涉條紋漸漸浮現出來，這就是單原子波動性的表現。雖然感覺難以相信，但這就是真實的實驗結果。這樣的單原子幹涉儀將來可以用作微小範圍內加速度的測量和微小力的測量。目前科學家已經利用單原子幹涉儀感應到小到10-27牛頓的力。

　　
圖5單原子幹涉條紋的浮現。

　　兩個原子會怎樣

　　對於自然界的認識，人們總希望從簡單到複雜，從一個到多個去理解、去認識，正如老子《道德經》中所說“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。我們從一個原子入手也是抱著同樣的期望，因為這樣的係統更為純粹、更為簡單、更易於建模理解並計算。下麵的工作充分體現了我們單原子操作的優勢。

　　大家都知道，原子之間的碰撞是原子氣體中普遍存在的相互作用，即使在通過激光冷卻與囚禁得到的冷原子團中，碰撞問題仍備受關注。無論是製備超冷量子氣體的蒸發冷卻過程、冷原子形成分子的超冷化學過程，還是基於碰撞的量子信息與量子模擬中量子態的相幹製備和消相幹過程，都離不開對原子之間的彈性、非彈性碰撞甚至是反應性碰撞的認識。然而，在通常的一個含有成千上萬個原子的多組分冷原子團中，原子數目的不確定性和同組分原子之間的碰撞等因素導致了碰撞截麵測量的不準確。假如我們在光阱中隻放一個銣-87原子和一個銣-85原子呢？大家可以想象，在這樣一個光阱裏，沒有共振光的幹擾，任何碰撞相互作用都發生在這兩個異核原子之間，這樣我們就能精確而純淨地提取異核冷原子在不同超精細能級下的碰撞損失速率。在實驗上，通過精確控製實驗參數，我們獲得了銣-85和銣-87原子基態碰撞損失速率目前最為精確的數據，而且結果與法國國家科學研究院的G.V.Shlyapnikov教授、意大利特蘭托大學的D.J.Papoular博士采用耦合通道理論計算的結果相吻合（更詳細結果請參考NatureCommunications6,7803(2015)）。

　　
圖6兩個異核原子在光阱中碰撞損失的示意圖。

　　這樣的單原子間的碰撞研究可以很容易地擴展到其他原子，並且在這樣的“超級純淨”的碰撞反應平台上，未來還可以研究單原子與單分子的碰撞、異核原子的相幹碰撞等等，在粒子數目確定的化學反應的研究以及基於原子的量子信息處理和量子模擬研究方麵都有重要價值。
展望

　　基於原子冷卻與俘獲的單原子製備及其量子調控，促進了人類對量子力學本質及物質運動狀態的更深入、更徹底的了解，不僅是對現有科學技術的一種挑戰和超越，而且已成為量子光學和冷原子物理領域的一個交叉熱點。正如我們研究組組長詹明生研究員在“2015國際光年專題”上所展望的：“激光操控的單原子與單原子陣列將為量子信息處理與量子模擬提供獨特的物理平台。單原子與原子芯片技術結合將會使原子這個單純而且理想的量子體係良好的量子擴展性與芯片的經典擴展性結合起來，可能形成一種有前景的量子計算機芯片級處理器。光阱中的原子體係是對如Hubbard模型等進行量子模擬的理想體係，相互作用可控的單原子陣列不僅對多比特量子計算重要，也是量子模擬研究十分期待的。單體、兩體再到三體(少體)物理，單原子動力學，量子體係的經典對應，人工光合作用優化，表麵Casimir—Polder力的精密測量、量子關聯測量等，都可成為單原子用武之地。”