激光冷却是什么原理？为什么它能冷却原子？

文 |小新论视界

编辑 |小新论视界

«●—【前言】—●○»

离子的捕获需要真空，但在压力（∼10−4mbar）下，少量氦气背景的存在可以非常有效地冷却热离子。

离子通过与缓冲气体原子的碰撞来耗散其动能，这很快就使离子在室温下与气体进入热平衡。

对于开始于室温以上的离子，缓冲气体冷却实际上减少了对离子的扰动。

由碰撞导致的离子能级的任何轻微的展宽和移动都被离子微运动的减少所抵消——离子离陷阱中心更近，在那里它们可以看到更小的交流场。

«●—【缓冲气体冷却】—●○»

缓冲气体冷却可以比作一个部分“失去真空”的真空烧瓶——烧瓶中的热咖啡冷却下来，因为壁间的低压气体比良好的真空提供的保温效果要少得多。

从这个论点可以得出，离子只能在良好的真空中冷却到远低于室温，例如在后面描述的激光冷却实验中压力为10−11mbar（否则与热背景气体原子的碰撞加热离子）。

这种情况对应于有一个好的真空瓶；实验室中的杜瓦按照同样的原理工作，将液氦等物质保持在比周围环境低得多的温度下。

缓冲气体冷却在需要长期可靠运行的仪器中得到了广泛的应用，比如在加州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室开发的汞离子时钟。

线性保罗陷阱包含一个汞离子云，微波驱动离子基态的两个超精细能级在40 GHz之间的转变。

通过参考离子的共振频率，电子伺服控制系统在长时间内保持微波源的频率稳定在1014中的一部分，这种离子阱提供了一个非常好的频率参考，并已被用于深空导航。

其中，流向和来自探测器的信号的精确时间确定了它与地球上的发射机/接收机的距离，保罗陷阱与缓冲气体冷却也被使用，在一些商业质谱仪中提供较长的离子存储时间。

有一种类似于缓冲气体冷却的方法，可以在更低的温度下工作，在交感冷却中，陷阱同时限制了两种离子，例如Be+和Mg+。

激光冷却一种物质，例如Be+离子，产生一个冷离子云，作为“缓冲气体”，通过碰撞冷却Mg+离子。

离子通过它们强烈的长程库仑斥力相互作用，所以它们永远不会足够接近以进行反应——从这个意义上说，离子之间的碰撞是良性的（而磁阱中的中性原子会经历一些非弹性碰撞导致阱损失）。

«●—【激光冷却被捕获的离子】—●○»

离子的冷却使用与中性原子的激光冷却相同的散射力，历史上大卫·韦恩兰和汉斯·德梅尔特提出了在中性原子的研究之前激光冷却离子的想法。

离子阱中的长限制时间使实验在原则上很简单；但是，在实践中，离子在蓝色或紫外区域有共振线，所以它们通常需要比具有较长波长共振线的中性原子更复杂的激光系统。

激光冷却Hg+产生194 nm的连续波辐射需要多个激光器和非线性光学频率混合，但现在用于激光冷却钙+波长的辐射是由小型半导体二极管激光器产生的。

这种差异的出现是因为在离子中，价电子看到了一个比在等电子中性原子中更带高电荷的核心，即具有相同电子构型的原子。

离子较短的波长也意味着它们通常比中性原子具有更大的自然宽度，因为Γ取决于跃迁频率的立方体。

这种共振激光的高散射率会对离子产生强烈的辐射力，也允许检测单个离子，如下所示。

每个被捕获的离子都表现为一个三维的简谐振子，但一束激光束抑制了各个方向的运动。

为了实现这一点，实验人员调整激光频率略低于谐振，因此振荡离子在向激光束移动时比离开时吸收更多的光子。

振荡过程中散射的不平衡减缓了离子的速度，这种多普勒冷却的工作方式与光学糖蜜基本相同，但不需要反向传播的激光束，因为速度在束缚系统中与方向相反。

散射的不平衡源于多普勒效应，因此最低的能量是多普勒冷却极限kBT =Γ/2，为了冷却离子在所有三个方向上的运动，辐射力必须沿着每个自由度对应的方向有一个分量，即激光束不沿着任何对称轴穿过阱。

在激光冷却过程中，自发发射的光子向各个方向移动，这种强烈的荧光甚至使单个离子也能被看到！这里我的意思不是说可探测的，而是肉眼可见；当你进入真空系统时，一个具有可见过渡的巴+离子在电极之间出现一个小亮点。

钡离子的绿色区域比其他离子的波长为493 nm，更一般地说，实验使用CCD相机来检测来自离子发出的蓝色或紫外线辐射，如下图所示。

为了计算一个波长为397 nm的跃迁钙离子和Γ=2π×23×106s−1的信号，我们使用δ=−Γ/2和I = 2Isat，因此：

在一个典型的实验中，将荧光成像到探测器上的透镜的f数（焦距与直径之比）约为2，因此它收集了荧光光子总数的1.6%（与4π对应的固体角）。

合理的探测器效率为20%，实验信号为S = 0.016×0.2×Rscalt=105光子s−1，可以很容易地在光电倍增管上测量，如下图所示。（信号低于估计值，因为荧光光子由于光学元件表面的反射而丢失，例如窗户或透镜。）

激光强跃迁冷却将离子的能量降低到多普勒冷却极限Γ/2，在一个振动能级之间间距为ωtrap的陷阱中，离子占据约∼Γ/ωtrap的振动能级；通常这对应于许多水平。

当离子驻留在振子的最低量子能级时，在那里它们只有量子谐振子的零点能量，为了达到这一基本极限，实验使用了更复杂的技术，可以驱动窄线宽的过渡。

«●—【量子跳跃】—●○»

除了用于激光冷却的自然宽度Γ的强共振跃迁，离子还有许多其他跃迁，我们现在考虑激发自然宽度Γ’，激发弱光学跃迁，其中Γ’《Γ，下图显示了跃迁和相关的能级。

这里描述的第一个应用程序简单地使用一个狭窄的过渡来精确地测量温度，我们稍后将研究高分辨率激光光谱学。

一个简单的计算表明，要测量离子在强跃迁的多普勒冷却极限下的温度，必须探测一个狭窄的转变。

对于之前给出的钙离子的跃迁，计算为∆fD=2MHz，仅为自然宽度（∆fN=23MHz）的0.07倍，因此，该线的宽度仅略大于自然宽度，而该线宽度的测量值不能准确地确定温度。

这种困难在更窄的多普勒展宽占观测线宽优势的跃迁中消失了，但这个方案提出了一个实际问题——光子在弱跃迁上的低散射率使得观察离子变得困难。

离子捕获者已经发展了一种聪明的方法来同时获得良好的信号和狭窄的线宽，这种实验技术需要两种频率的辐射，这样才能激发强跃迁和弱跃迁。

当两个激光频率都照亮离子时，荧光信号如上述图片所示，当价电子从长寿命激发态上升或下降时，荧光突然关闭和打开——在这个随机电报信号中切换之间的平均时间取决于上态的寿命。

这是玻尔在他的氢原子模型中假设的允许能级之间的量子跃迁，而直接观察单个离子的量子跃迁为测试量子力学提供了新的方法。

以前的实验测量了一个可观测粒子的集合平均值，即一个集合粒子的平均值，但离子陷阱允许对单个物体进行重复测量。

在量子语言中，光子在强跃迁上的每一次吸收和发射都构成了对离子状态的测量——它被发现处于基态或长寿命激发态，这两个结果对应于可观测值的两个特征值。

除了对量子力学本质的洞察，非常窄的共振的激发在光学频率标准中有非常实际的应用，在伦敦特丁顿的国家物理实验室观察到的镱离子中一个高度禁止的跃迁提供了高分辨率光谱学的一个极端例子。

Yb+中的2F7/2水平只能通过八极子跃迁衰变到地面水平2S1/2，计算出的自然寿命为10年。

尽管激发离子被迫衰变更快以使实验可行，但在这种转变中自发发射的速率很小，除了在1级和3级之间有一个较弱的2S1/2-2F7/2过渡外，在1级和2级之间还有一个较强的2S1/2-2P1/2过渡。

频率为ωL的激光辐射驱动tw一段时间的弱跃迁；然后具有强跃迁共振的激光（ωLω12）开启一段时间的tdet以确定离子的状态，如果离子在tw期间被激发到长寿的上层，那么它就不会发出荧光。

然而，如果它保持在基态，光子将以Robs105−1的速率到达探测器。

在tdet=2×10−2s期间，检测到了概率= 2000光子，当ωL扫描ω13狭窄共振周围的频率范围时，重复这两个测量阶段，会产生激发窄跃迁（时间tw）的概率与激光频率的关系图。

观测到的共振的线宽取决于测量时间，因为其他的展宽机制可以忽略不计，傅里叶变换理论表明，脉冲的频率宽度与其持续时间成反比，∆ωobs∼1/tw——与过境时间展宽中使用的关系相同。

这对应于计算激光辐射的周期数，fLtw到一个周期的±2 1范围内（fL=ωL/2π），频率标准使用这种探测方案，交替进行探测和测量周期，因为弱过渡不能因为同时有强相互作用而被干扰。

这种方法的逻辑让人想起著名侦探夏洛克·福尔摩斯解决的一个案子；从观察到狗晚上不吠，他推断凶手不是陌生人，由此推断，离子在没有被观察到时被激发。

«●—【电子束离子阱】—●○»

电子束离子阱（EBIT）的发展是为了限制那些失去了许多电子的离子，它们的能量比保罗和彭宁阱的典型实验要高得多。

下图显示了一个EBIT的示意图布局，这种装置在物理上比其他类型的陷阱要大得多，但仍然比以前用于产生高电离离子的粒子加速器要小得多。

EBIT通过其对沿着陷阱轴的电子束中的高负电荷密度的强静电吸引来限制正离子——这些离子大部分时间都停留在这个电子束内，电子来自于一个具有高电流密度的电子枪，但光束中的空间电荷往往会引起发散。

一个强大的轴向磁场抵消了这种扩散，以保持电子的紧密聚焦，这个磁场的作用就像彭宁陷阱一样，阻止电子在径向电场的影响下径向向外移动——限制正离子的电场将电子向外推，直流电压为几千伏特的电极限制了离子沿电子束的运动。

除了捕获外，EBIT还通过下面的电离步骤产生离子，处于低电荷状态的原子或离子被注入到EBIT区域，其电子被电子束敲除，形成正离子。

这些离子被限制在电子束中，在那里高能电子的轰击去除越来越多的电子，使离子变得更高的电荷。

«●—【总结】—●○»

这个过程一直持续到残留在离子上的电子的结合能大于入射电子的能量，因此，通过改变电子枪上的加速电压来控制被捕获离子的最终电荷状态。

高电荷离子的能级之间的过渡产生x射线和从ebit发射的辐射波长的光谱测量，使用真空光谱仪，这种传统的光谱方法的精度低于激光光谱方法，但量子力学效应随着原子序数的增加而迅速扩大。

兰姆位移随（Zα）4而增加，而总能量尺度为（Zα）2，因此对高Z的类氢离子的测量可以看到QED效应，测试束缚态的QED计算是很重要的，因为它们需要与用于自由粒子的那些明显不同的近似和理论技术。

事实上，随着Z的增加，QED计算中使用的扩展参数Zα变得更大，高阶开始做出更大的贡献。

参考文献：

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