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磁光陷阱

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磁光陷阱的实验架设,包含真空腔、圆偏振激光光束、以及一对反亥姆霍兹线圈 (Anti-Helmholtz coil)。

原子、分子和光学物理学中,磁光陷阱(英文: Magneto-optical trap, MOT)是一种利用激光冷却和空间变化磁场来创建陷阱,用以捕捉中性原子的装置。 磁光陷阱能达到的的温度取决于原子种类,最低可以低至几微克耳文。然而,某些原子(例如锂-7)的超精细结构无法被解析,所以磁光陷阱无法将其温度降低至多普勒冷却极限。

磁光陷阱由四极子式分布的弱磁场,以及六束圆偏振红失谐英语Laser detuning、且相互交叉的光学糖蜜英语Optical molasses光束所构成。当原子远离陷阱中心的磁场零(两线圈之间)时,其能阶之间的跃迁频率会因塞曼位移随空间的改变,从而逐渐与六道光束的频率达到共振,并产生散射力,将原子推回到陷阱的中心。这就是磁光陷阱捕获原子的原理。另外,此一散射力来自于原子移动时,接收了迎面而来的光子所携带的反向动量。因此在经过吸收光子、再藉自发辐射释放出光子的多次循环后,平均而言,原子会逐渐被减速(或者说被“冷却”)。如此一来,磁光陷阱就能将秒速数百米的原子,冷却至仅剩秒速数十公分 (同样地,实际速度取决于原子种类)。

顺带一提,尽管彭宁离子阱保罗离子阱可以借由电场和磁场来捕获带电粒子,但这些陷阱对中性原子无效。

多普勒冷却

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主条目:多普勒冷却

当光子被原子吸收时,根据动量守恒,光子会沿着行进方向轻推原子,将自身携带的动量转移过去。借由将激光光束的频率调低至原子的共振频率以下(称为“红失谐”),则可以让原子只在往光源方向前进时,吸收因为蓝移而频率增高的光子,从而遭受阻力。

若要冷却原子,减缓其在任何方向上的速度,就得让原子在直角坐标系的三个轴向上都受到阻力。实现这件事最简单的作法,是将三道互相垂直的激光光束照向原子,再用镜子将三道光沿着同方向反射回去。不论原子往哪个方向移动,都会遇到一道迎面而来的光阻碍它的行动。

磁捕捉

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有了激光冷却所用到的红失谐光束,再加上随着空间变化的四极子式磁场,就可以进行“磁捕捉”。外加磁场会造成原子超精细结构中 mf 态的塞曼位移,改变能阶之间的能量差距。而四极子式的空间分布,则让塞曼位移随着与陷阱中心的距离而增加。因此,当原子逐渐远离陷阱中心,原子能阶的共振频率也会越来越靠近红失谐光束的频率,而更有机会吸收光子,并被光子往陷阱中心踢回。

原子会被光子“踢”往哪个方向,取决于光的偏振方向,因为左旋和右旋的偏振光会各自与不同的 mf 态相互作用。只要选定适当的偏振方向,就能确保只有移向陷阱中心的光子会被原子吸收,让原子不断地被推往陷阱中心。

应用

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由于磁光阱中的原子团密度低,且移动速度缓慢,因此这些原子的平均自由径相当长。这代表原子之间的碰撞次数较少,让原子能够维持在特定的量子态中更久,达到更长的“相干时间英语coherence time”,有助于进行量子资讯实验。

磁光阱通常是产生玻色-爱因斯坦凝聚的第一步。原子首先在磁光阱中冷却至反冲极限,再借由蒸发冷却英语Evaporative_cooling_(atomic_physics)降到更低温,并凝聚而达到更高的相空间密度。

磁光阱可应用在许多量子技术上,例如冷原子重力梯度仪英语Gravity_gradiometry[1],而且可以部署在诸如无人机[2]、地下钻井[3]...等环境之中。

参见

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参考资料

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  1. ^ Fixler, J. B.; Foster, G. T.; McGuirk, J. M.; Kasevich, M. A. Atom Interferometer Measurement of the Newtonian Constant of Gravity. Science. 2007-01-05, 315 (5808) [2024-03-24]. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1135459. (原始内容存档于2024-03-24) (英语). 
  2. ^ Earl, Luuk; Vovrosh, Jamie; Wright, Michael; Roberts, Daniel; Winch, Jonathan; Perea-Ortiz, Marisa; Lamb, Andrew; Hayati, Farzad; Griffin, Paul; Metje, Nicole; Bongs, Kai. Demonstration of a Compact Magneto-Optical Trap on an Unstaffed Aerial Vehicle. Atoms. 2022-03, 10 (1) [2024-03-24]. ISSN 2218-2004. doi:10.3390/atoms10010032. (原始内容存档于2024-07-12) (英语). 
  3. ^ Vovrosh, Jamie; Wilkinson, Katie; Hedges, Sam; McGovern, Kieran; Hayati, Farzad; Carson, Christopher; Selyem, Adam; Winch, Jonathan; Stray, Ben; Earl, Luuk; Hamerow, Maxwell. Magneto-optical trapping in a near-suface borehole. PLOS ONE. 2023-07-11, 18 (7) [2024-03-24]. ISSN 1932-6203. PMC 10335664可免费查阅. PMID 37432927. doi:10.1371/journal.pone.0288353. (原始内容存档于2024-03-24) (英语).