什么是激光冷却和捕获？

激光冷却和捕获是一种利用激光减缓和限制原子或离子速度的技术，可有效地将原子或离子冷却到极低的温度，从而实现对各种科学和技术应用的精确控制。

原子因其热能而自然地不断运动，这使得对它们进行高精度研究或操纵具有挑战性。为了利用其独特的量子特性，科学家们需要一种方法将原子冷却到接近绝对零度的超低温，并将其限制在一个明确定义的空间区域内。这就是激光冷却和捕获的作用所在。

激光冷却

激光冷却取决于原子吸收和发射光子的原理。当原子从激光束中吸收一个光子时，它会获得光子传播方向上的动量。然而，由于量子力学的概率性质，即与量子水平粒子行为相关的不确定性和随机性，原子吸收光子的方向并不总是一致的。这种随机动量效应（动量变化）可用于减缓和冷却原子云。

为此，通常使用三种主要技术：

多普勒冷却： 多普勒冷却依靠多普勒频移现象来冷却原子。多普勒频移又称多普勒效应，是指由于波源和观察者之间的相对运动而引起的波的频率（或波长）变化。在多普勒冷却中，激光被调谐到略低于原子转变频率。向激光束移动的原子会看到激光发生轻微的蓝移，从而吸收光子。反之，远离激光束的原子会感受到红移激光，从而导致光子发射。这会导致动量和动能的净损失，从而有效地冷却原子。

泽曼减速器：泽曼减速器是多普勒冷却技术的延伸。它利用磁场梯度来捕获原子，逐渐降低它们沿激光传播方向的速度。随着原子速度减慢，多普勒效应会更有效地冷却原子。

磁光陷阱（MOT）： 磁光陷阱结合磁场和激光束来限制超冷原子。一组相对的激光束会产生一个稳定区域，原子在该区域内会受到一个向中心的恢复力。同时，磁场阻止原子逃逸。这样就形成了一个密集的冷原子云，可以长时间保持。

光学捕获

光学捕获是一种利用聚焦激光捕获和操纵微小物体（如微观粒子或细胞）的科学技术，通过施加光学力将其固定在原位或精确移动。

它基于光子具有线性动量的原理。当光子改变其路径时，例如，当光子穿过两种折射率不同的材料之间的界面时，这种动量就会发生变化。由于封闭系统内的总动量保持不变，光子从初始状态到最终状态的动量变化会传递给封闭粒子。这种动量转移是球体受力的基本机制。支配这一现象的力方程如下：

其中，F 是力，ΔP 是动量的变化，Δt 是时间的变化。

在上图中，一个光子沿着 abcd 路径行进，在 b 点和 c 点将动量传递给一个球形粒子。同样，当两个光子在一条更强的射线内沿着路径 ABCD 行进时，它们在 B 点和 C 点传递动量，从而产生一个两倍长的矢量 PQ。这一观察结果表明，沿着光束的轴线，球体在光强增加的方向上会受到一种强制力。这种力被称为梯度力。

激光冷却和捕获的应用

冷却和捕获原子的能力在各个科学领域都有深远的应用。激光冷却原子是超精密原子钟的基础，对于全球定位系统和电信网络同步等应用至关重要。在电磁场中被捕获的激光冷却离子或原子可用作量子计算中的量子比特，有望实现计算能力的指数级飞跃。

激光冷却原子可以让科学家模拟复杂的量子系统，揭示凝聚态物理、化学等领域的基本现象。通过冷却和捕获原子，研究人员可以进行精确的实验来测试物理学的基本定律，如爱因斯坦的相对论。激光冷却原子可用于制造极其灵敏的传感器，以测量磁场、引力和加速度等物理量。