1997年諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文、塔諾季和菲利普斯
獎項: 1997年諾貝爾物理學獎
成就: 表彰他們在發展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻
簡介:
1997年諾貝爾物理學獎授予美國加州斯坦福大學的朱棣文（Stephen Chu，1948—），法國巴黎的法蘭西學院和高等師範學院的科恩－塔諾季（Claude Cohen－Tannoudji，1933—）和美國國家標準技術院的菲利普斯（William D.Phillips，1948—），以表彰他們在發展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻。
激光冷卻和陷俘原子的研究，是當代物理學的熱門課題，十幾年來成果不斷涌現，前景激動人心，形成了分子和原子物理學的一個重要突破口。
操縱和控制單個原子一直是物理學家追求的目標。固體和液體中的原子處於密集狀態之中，分子和原子相互間靠得很近，聯繫難以隔絕，氣體分子或原子則不斷地在作無規亂運動，即使在室溫下空氣中的原子分子的速率也達到幾百m/s。在這種快速運動的狀態下，即使有儀器能直接進行觀察，它們也會很快地就從視場中消失，因此難以對它們進行研究。降低其溫度，可以使它們的速率減小；但是問題在於：氣體一經冷卻，它就會先凝聚爲液體，再凍結成固體。如果是在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠地低，避免凝聚和凍結。但即使低到－270℃，還會有速率達到幾十m/s的分子原子，因爲分子原子的速率是按一定的規律分佈的。接近絕對零度（－273℃以下）時，速率纔會大爲降低。當溫度低到10-6K，即1微開（μK）時，自由氫原子預計將以低於25cm/s的速率運動。可是怎樣才能達到這樣低的溫度呢？
朱棣文、科恩－塔諾季、菲利普斯以及其他許多物理學家開發了用激光把氣體冷卻到微開溫度範圍的各種方法，並且把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類型的“原子陷阱”中。在這裡面，個別原子可以以極高的精確度得到研究，從而確定它們的內部結構。當在同一體積中陷俘越來越多的原子時，就組成了稀薄氣體，可以詳細研究其特性。這幾位諾貝爾獎獲得者所創造的這些新研究方法，爲擴大我們對輻射和物質之間相互作用的知識作出了重要貢獻。特別是，他們打開了通向更深地瞭解氣體在低溫下的量子物理行爲的道路。這些方法有可能用於設計新型的原子鐘，其精確度比現在最精確的原子鐘（精確度達到了百萬億分之一）還要高百倍，以應用於太空航行和精確定位。人們還開始了原子干涉儀和原子激光的研究。原子干涉儀可以用於極其精確地測量引力，而原子激光將來可能用於生產非常小的電子器件。用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦，導致了“光學鑷子”的發展，光子鑷子可用於操縱活細胞和其它微小物體。1988年—1995年在稀薄原子氣體中先後觀察到了一維、二維甚至三維的玻色－愛因斯坦凝聚。這一切都是從人們能夠用激光控制原子開始的。下面我們就來對歷史作一點簡單的回顧並且對激光爲什麼能使原子冷卻作一點通俗的解釋。
1 歷史的回顧
早在1619年，當開普勒試圖解釋爲什麼彗星進入太陽系彗尾總是揹着太陽時，他曾經提出，光可能有機械效應。麥克斯韋在1873年、愛因斯坦在1917年都對所謂的“光壓”理論作過重要貢獻，特別是，愛因斯坦證明了，原子吸收和發射光子後，其動量會發生改變。有光子動量參與的過程首推康普頓效應，即X射線受電子的散射。最早觀察到反衝電子的是1923年C.T.R.威耳遜用雲室作出的。第一次在實驗中觀察到反衝原子的是弗利胥（1933年）。1966年索洛金（P.Sorokin）等人發明的可調染料激光器，爲進一步探討“光的機械特性”提供了優越的手段。
20世紀70年代列託霍夫（V.S.Letokhov）以及其他蘇聯物理學家和美國荷爾德爾（Holmdel）貝爾實驗室阿斯金（A.Ashkin）。小組的物理學家在理論上和實驗上對光子與中性原子的相互作用進行了重要的早期工作。其中有一項是他們建議用聚焦激光束使原子束彎折和聚焦，從而達到陷俘原子的目的。他們的工作導致了“光學鑷子”的發展，光學鑷子可用於操縱活細胞和其它微小物體。
漢胥（T.W.Hānsch）和肖洛（A.L.Schawlow）1975年首先建議用相向傳播的激光束使中性原子冷卻。與此同時，外蘭德（D.J.Wineland）和德默爾特（H.G.Dehmelt）對於離子陷阱中的離子也提出過類似的建議。漢斯和肖洛的方法是：把激光束調諧到略低於原子的諧振躍遷頻率，利用多普勒原理就可使中性原子冷卻。
2 激光爲什麼能使原子減速？
光可以看成是一束粒子流，這種粒子就叫光子。光子一般來說是沒有質量的。但是具有一定的動量。光子撞到原子上可以把它的動量轉移給那個原子。這種情況要發生，必須是光子有恰好的能量，或者可以這樣說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因爲光子的能量正比於光的頻率，而光的頻率又決定光的顏色。因此組成紅光的光子比起組成藍光的光子能量要低些。是什麼決定光子應有多大能量才能對原子起作用呢？是原子的內部結構（能級）。原子處於一定的能級狀態，能級的躍遷就是原子吸收和發射光子的過程。原子的能級是一定的，它吸收和發射光子的頻率也是一定的。如果正在行進中的原子被迎面而來的激光照射，只要激光的頻率和原子的固有頻率一致，就會引起原子的躍遷，原子會吸收迎面而來的光子而減小動量。與此同時，原子又會因躍遷而發射同樣的光子，不過它發射的光子是朝着四面八方的，因此，實際效果是原子的動量每碰撞一次就減小一點，直至最低值。動量和速度成正比，動量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，實際上就是在激光的作用下使原子減速。
然而，實際上原子束是以一定的速度前進的。迎面而來的激光在原子“看來”，頻率好象有所增大。這就好比在高速行進的火車上聽迎面開來的汽車的喇叭聲一樣，你會覺得汽車是尖嘯而過，和平常大不相同。這就是所謂多普勒效應。也就是說，對於火車上的觀察者來說，汽車喇叭聲的頻率是增大了。運動中的原子和迎面而來的激光也會有同樣的效應。因此，只有適當調低激光的頻率，使之正好適合運動中的原子的固有頻率，就會使原子產生躍遷，從而吸收和發射光子，達到使原子減速的目的。因此這種冷卻的方法稱爲多普勒冷卻。理論預計，對於鈉原子，多普勒冷卻的極限值爲240μK。用激光可以把各種原子冷卻，使之降到毫開量級的極低溫度，這就是20世紀70到80年代之間物理學家做的事情。
1985年朱棣文和他的同事在美國新澤西州荷爾德爾（Holmdel）的貝爾實驗室進一步用兩兩相對，沿三個正交方向的六束激光使原子減速。他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻止了下來，然後把鈉原子引進六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特徵顏色稍微有些紅移。其效果就是不管鈉原子企圖向何方運動，都會遇上具有恰當能量的光子，並被推回到六束激光交匯的區域。在這個小區域裡，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發光的氣團。由六束激光組成的阻尼機制就像某種粘稠的液體，原子陷入其中會不斷降低速度。大家給這種機制起了一個綽號，叫“光學粘膠”。
上述實驗中原子只是被冷卻，並沒有被陷俘。重力會使它們在1秒鐘內從光學粘膠中落下來。爲了真正陷俘原子，就需要有一個陷阱。1987年做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。它用六束激光，如上述排列，再加上兩個磁性線圈，以便給出略微可變化的磁場，其最小值處於激光束相交的區域。由於磁場會對原子的特徵能級起作用（這種作用叫做塞曼效應），就會產生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。這時原子雖然沒有真正被捉住，但卻是被激光和磁場約束在一個很小的範圍裡，從而可以在實驗中加以研究或利用。
朱棣文和他的小組在激光冷卻和陷俘原子的技術中取得了突破性的進展，引起了物理學界的廣泛關注。繼他們之後有很多科學小組很快超過了他們，但是他們開創的激光減速方法和光學粘膠的工作一直是其它成果的基礎。他們自己也沒有止步，繼續作出了新的努力。
例如，原子噴泉（圖97－1）就是一項有重大意義的實驗。朱棣文小組根據扎查利亞斯（J.R.Zacharias）和漢斯的建議，把幾種新的方法結合在一起，創造了一種可以用極高的精確度測量原子的光譜特性的裝置。他們把高度冷卻並被陷俘了的原子非常平緩地向上噴出，在重力場中作拋射體運動，當到達頂點時原子正好處在微波腔內，然後在重力場的作用下開始下落。這時，用相隔一定時間的兩束微波輻射脈衝對這些原子進行探測。如果微波脈衝的頻率經過正確的調諧，這兩個相繼的微波脈衝將使原子從一種量子態轉變成另一種量子態。用這種方法朱棣文小組曾經測量過原子兩個量子態之間的能量差，第一次實驗的分辨率就高達一千億分之二。
藉助原子噴泉可以對原子的能級進行極爲精確的測量，因此有可能在這一基礎上建立最精確的原子鐘。目前不止有10個科學集體正在試製這種原子鐘。
與此同時，菲利普斯和他在美國國家標準技術院的小組研究了在光學粘膠中緩慢運動的中性鈉原子冷雲團。他們被理論與實驗之間微小的不符所激勵，創造了精確測量處於不同冷卻條件的雲團溫度的各種方法。他們採用一種技術測量原子從光學粘膠區域下落到探測激光束處的飛行時間。1988年初，他們發現，原子的溫度約爲40μK，比預計的多普勒極限240μK低得多。他們還發現，最低的溫度是在與理論多普勒極限的條件相矛盾的條件下得到的。
朱棣文後來轉到斯坦福大學，他所帶的幾個研究小組以及科恩－塔諾季在巴黎高等師範學院的小組所做的實驗，不久就證實了菲利普斯的發現是真實的。斯坦福小組和巴黎的小組幾乎同時而且立刻對這一理論和實驗之間的分歧作出瞭解釋。原來多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設原子具有簡單的二能級譜。可是實際上真正的鈉原子都具有好幾個塞曼子能級，不但在基態，而且在激發態也是如此。基態子能級可以用光泵方法激發，也就是說，激光能夠把鈉原子轉變爲按子能級布居的不同分佈，並引起新的冷卻機制。這種布居分佈的細節依賴於激光的偏振態，而在光學粘膠中，在光學波長量級的距離裡偏振態會發生快速的變化。因此，人們爲這種新的冷卻機制取了一個名稱，叫“偏振梯度冷卻”。菲利普斯最早發現的特殊機制則取了另外一個名稱，叫“希蘇伐斯冷卻”，希蘇伐斯是希臘神話中的一個角色，傳說他被判處把重石頭推上山坡，而當重石被推到坡頂時，又會滾下山，於是他只能從頭開始。原子總在失去動能，就好象是上山一樣，經激光場又被光激發回到山谷，如此周而復始，反覆進行，不斷冷卻降溫。人們把低於多普勒極限的過程稱爲亞多普勒冷卻。
1989年菲利普斯訪問巴黎，他與高等師範學院的小組合作，共同證明了中性銫原子可以冷卻到2.5μK。他們發現，和多普勒冷卻一樣，其它類型的激光冷卻也有相應的極限。以從單個光子反衝而得的速度運動的一團原子所相當的溫度就叫反衝極限。對於鈉原子，反衝極限溫度爲2.4μK，而銫原子則低至0.2μK。上述實驗結果似乎就表示了，用偏振梯度冷卻有可能使一羣無規的原子雲達到十倍於反衝極限的溫度。在新近的發展中，人們做到了把冷卻了的原子拘捕在所謂光格架的地方。這種格架是以光的波長量級作爲間隔，靠改變激光束的位形加以調整。由於原子處在格架位置上要比處在任意位置能夠更有效地冷卻，從而可以達到無規狀態下所能達到的溫度的一半。例如，對於銫已經達到了1.1μK。
單個光子的反衝能量之所以會有一個極限值，是因爲不論對多普勒冷卻還是偏振梯度冷卻，兩者都會發生連續的吸收和發射的循環過程。每個過程都會給原子以微小但卻不能忽略不計的反衝能量。如果原子幾乎是靜止的，免去了吸收－發射循環，原則上就可以在稀薄原子蒸氣中達到比反衝冷卻極限還要低的溫度，這就叫亞反衝冷卻。早在20世紀70年代，比薩大學就已經發現，可以用光泵方法使放在強激光場中的原子激發到無吸收的相干疊加狀態，即所謂的“暗態”。科恩－塔諾季和巴黎高等師範學院的一些同事，其中有阿里孟多（E.Arimondo，來自比薩）和阿斯派克特（A.Aspect），他們在一系列的實驗中證明了利用多普勒效應可以使最冷的原子最終達到暗態。這個方法就叫速度選擇相干布居陷阱法（VSCPT）。
1988年，科恩－塔諾季及其同事用這種方法使氦原子冷卻。他們用兩組相向傳播的激光束，證明了一維冷卻可達2μk的溫度，比理論預計的反衝極限還小一倍。20世紀90年代初這一實驗發展到二維冷卻。1994年科恩－塔諾季和阿斯派克特及另一個小組用兩對相互正交的並相向傳播的激光束，證明了二維冷卻可達250nK，約比反衝極限溫度低16倍。最終在1995年實驗發展到用三對激光束，演示了沿三個方向的冷卻。最低的溫度達到180nK，比反衝極限還要低22倍。理論預計，氦原子的多普勒極限爲23μK，反衝極限爲4μK。
朱棣文是華裔科學家，1948年生於美國密蘇里州的聖路易斯，美國公民。他父親朱汝瑾博士是臺灣中央研究院院士。朱棣文於1976年畢業於美國伯克利加州大學，獲物理學博士學位，並留校做了兩年博士後研究，後來他加入貝爾實驗室，1983年任貝爾實驗室量子電子學研究部主任，1987年應聘任斯坦福大學物理學教授，1990年任斯坦福大學物理系主任。他因開發了激光冷卻和陷俘原子的技術獲1993年費薩爾國王國際科學獎。同年被選爲美國科學院院士。
科恩－塔諾季1933年出生於阿爾及利亞的康斯坦丁，他是法國公民，1962年在巴黎高等師範學院獲博士學位。1973年在法蘭西學院任教授。他是法國科學院院士，由於在激光冷卻和陷俘原子的開創性實驗，他獲得多項獎勵，其中有1996年歐洲物理學會頒發的量子電子學獎。
菲利普斯1948年出生於美國賓夕法尼亞的維爾克斯－巴勒，1976年在麻省理工學院獲物理學博士學位。由於他在激光冷卻和陷俘原子方面的實驗研究，曾經獲得多項獎勵，其中有富蘭克林學院1996年的邁克耳孫獎。
專題: 諾貝爾獎2006 誰將戴上智慧王冠?