1. 冷原子物理的概念

    冷原子物理學(xué)實(shí)際是一門(mén)交叉學(xué)科,目前研究者主要來(lái)自:原子與分子物理、 光物理、理論物理、凝聚態(tài)物理等學(xué)科的研究者?。冷原子物理是研究超低溫度下的原子（分子）的各種特性極其應(yīng)用的物理學(xué)分支。冷原子具有如下的特征：1.運(yùn)動(dòng)很慢，碰撞減少，能級(jí)展寬急劇減小，適合更為精密的頻率測(cè)量；2.德布羅意波長(zhǎng)很大，相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，能夠宏觀觀察到相干現(xiàn)象；3.大量原子具有幾乎相同的頻率和波長(zhǎng)；4.能級(jí)寬度變窄，量子態(tài)更明顯；5.原子速度降低，更容易被操控。
        
 2. 實(shí)現(xiàn)原子冷卻及俘獲的方法

多普勒冷卻機(jī)制，即利用原子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效應(yīng)。這種冷卻機(jī)制受自然線寬限制，冷卻溫度可達(dá)到幾十至幾百微開(kāi)(10－6K)。 

偏振梯度激光冷卻機(jī)制，是基于光抽運(yùn)、光頻移等物理效應(yīng)，在多能級(jí)原子系統(tǒng)中產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)。原子飛過(guò)激光偏振狀態(tài)不斷變化的場(chǎng)時(shí)，總在不斷地“爬坡”，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，經(jīng)自發(fā)輻射出藍(lán)移光子而被冷卻。偏振梯度冷卻可使原子氣體溫度冷卻到小于多普勒冷卻極限，達(dá)到幾微K至幾十微K。 

速度選擇相干粒子數(shù)冷卻，是基于三能級(jí)原子在光的驅(qū)動(dòng)下使原子處于相干疊加態(tài)，這時(shí)原子與光場(chǎng)脫耦，不再吸收光子，因而也無(wú)動(dòng)量擴(kuò)散。滿足相干的原子速度接近于零，速度不為零的原子將吸收光子，原子動(dòng)量將重新布居。只有當(dāng)原子落入速度為零的相干疊加態(tài)時(shí)，原子才不再吸收光子而停留在相干疊加態(tài)上。這樣，原子的動(dòng)量可小于光子反沖動(dòng)量，相應(yīng)的氣體溫度可達(dá)10－11K。 

與激光冷卻技術(shù)同時(shí)發(fā)展起來(lái)的一種冷卻原子的方法為蒸發(fā)冷卻技術(shù)。這種方法是將平衡分布中的快速原子從陷阱中排除(蒸發(fā))，在原子間彈性碰撞的過(guò)程中，達(dá)到新的準(zhǔn)平衡分布。這時(shí)，氣體的溫度降低而且低速原子的密度增大。這是實(shí)現(xiàn)玻色－愛(ài)因斯坦凝聚的重要步驟之一。

    如何使這些低速原子聚集在固定的區(qū)域內(nèi)呢?超冷原子的技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。目前常用的捕獲原子的陷阱有兩類，一類是光陷阱，另一類是磁陷阱。光陷阱的勢(shì)壘深度較淺，在玻色－愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)中多使用磁陷阱。磁陷阱是由一對(duì)反向聯(lián)接的赫姆霍茲線圈構(gòu)成，其中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。對(duì)于尋找弱場(chǎng)的原子在磁勢(shì)場(chǎng)中將受力而于陷阱中心。 

在實(shí)現(xiàn)玻色－愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)中，使用的是磁光陷阱，磁場(chǎng)用來(lái)束縛原子，而光場(chǎng)用來(lái)冷卻和捕獲原子。這種陷阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低而且十分有效。的原子氣體溫度將小于1毫開(kāi)(10－3K)，原子的密度為1010/厘米3。限制原子密度增大的因素是原子間的碰撞，特別是基態(tài)原子與激發(fā)態(tài)原子的碰撞。為了提高原子密度，美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了暗點(diǎn)磁光陷阱，即在磁光陷阱中心超冷原子積聚的地方，減弱光抽運(yùn)光強(qiáng)，使原子處于激發(fā)態(tài)的概率降低，由此來(lái)減小限制原子密度增加的因素，從而可收集到更多的原子，以增加原子密度。利用這種方法原子密度可提高到1012/厘米3。 
                     
                                                                                                     圖. 一套典型的磁光阱原子冷卻系統(tǒng)


3. 冷原子主要應(yīng)用
  
原子干涉儀：微觀世界的粒子都具有波粒二相性。德布羅意波（物質(zhì)波）波長(zhǎng)λ＝h/mv，與粒子的動(dòng)量呈反比。室溫原子因?yàn)槠骄俣冗_(dá)到幾百米每妙，其德布羅意波長(zhǎng)為很小，大約為10-12米量級(jí)，原子大多處在不同的量子態(tài)上，相干長(zhǎng)度很短，難以形成干涉。冷原子溫度可達(dá)到幾個(gè)納K，平均速度可達(dá)到幾厘米每秒，德布羅意波長(zhǎng)約為10-7米量級(jí)，相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，能夠宏觀觀測(cè)到相干現(xiàn)象。由于光子基本不受重力影響，難以用激光精確測(cè)量重力。原子受重力作用十分明顯，因此原子干涉儀可以有效低測(cè)量重力微小變化，以及引力波等等，將是未來(lái)航空航天技術(shù)的設(shè)備。

原子鐘：原子間的碰撞是原子能級(jí)的寬度增寬的主要因素。冷原子由于速度很小溫度很低，原子間的碰撞遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于熱原子，因此能級(jí)寬度遠(yuǎn)小于熱原子，具有更精確的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)和更窄的躍遷光譜，這對(duì)原子能級(jí)以及各種常數(shù)的精確測(cè)量具有重要意義。原子鐘的精度取決于原子能級(jí)的精確程度。目前原子鐘主要采用原子精細(xì)能級(jí)躍遷作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。由于冷原子的能級(jí)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于熱原子，冷原子鐘會(huì)輸出更為精準(zhǔn)的頻率，因此會(huì)將人類的時(shí)間精度大幅度提高，對(duì)人類的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和距離標(biāo)準(zhǔn)起到革命性的改進(jìn)。

原子俘獲及操控：在微觀尺度上操縱原子分子，按人類的意愿改變?cè)臃肿娱g的排列組合，長(zhǎng)久以來(lái)是人類的一個(gè)夢(mèng)想。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域前沿的表面物理中，依靠掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以移動(dòng)和控制一些原子的位置，但無(wú)法脫離樣品表面完成對(duì)原子分子的俘獲。激光冷卻技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。

量子計(jì)算機(jī)：冷原子由于運(yùn)動(dòng)速度很慢，能級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此相比熱原子具有更為明確的量子態(tài)。更利于對(duì)它的量子態(tài)如外層電子自旋，原子磁矩等等進(jìn)行控制。同時(shí)冷原子量子態(tài)的變化可以反過(guò)來(lái)控制光信號(hào)，完成信息處理過(guò)程。