W.D.菲利普斯，美國物理學(xué)家。1970屆朱尼亞塔學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)生，美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士，馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校物理學(xué)教授。1996年，他獲得了富蘭克林研究所A.邁克爾遜獎?wù)隆?997年，與朱棣文、科昂·塔努吉（法國）因發(fā)明用激光冷卻和捕獲原子的方法，共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

簡(jiǎn)介

菲利普斯1948年出生于美國賓夕法尼亞的維爾克斯－巴勒，1976年在麻省理工學(xué)院獲物理學(xué)博士學(xué)位。由于他在激光冷卻和陷俘原子方面的實(shí)驗研究，曾經(jīng)獲得多項獎勵，其中有富蘭克林學(xué)院。

獲獎經(jīng)歷

1997年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加州斯坦福大學(xué)的朱棣文（Stephen Chu，1948—），法國巴黎的法蘭西學(xué)院和高等師范學(xué)院的科恩－塔諾季（Claude Cohen－Tannoudji，1933—）和美國國家標準技術(shù)院的菲利普斯（William D.Phillips，1948—），以表彰他們在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子的方法方面所作的貢獻。

相關(guān)技術(shù)介紹

激光冷卻和陷俘原子

簡(jiǎn)介

激光冷卻和陷俘原子的研究，是當代物理學(xué)的熱門(mén)課題，十幾年來(lái)成果不斷涌現，前景激動(dòng)人心，形成了分子和原子物理學(xué)的一個(gè)重要突破口。朱棣文、科恩－塔諾季、菲利普斯以及其他許多物理學(xué)家開(kāi)發(fā)了用激光把氣體冷卻到微開(kāi)溫度范圍的各種方法，并且把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類(lèi)型的“原子陷阱”中。在這里面，個(gè)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(lái)越多的原子時(shí)，就組成了稀薄氣體，可以詳細研究其特性。

原理

原子減速

操縱和控制單個(gè)原子一直是物理學(xué)家追求的目標。固體和液體中的原子處于密集狀態(tài)之中，分子和原子相互間靠得很近，聯(lián)系難以隔絕，氣體分子或原子則不斷地在作無(wú)規亂運動(dòng)，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(dòng)的狀態(tài)下，即使有儀器能直接進(jìn)行觀(guān)察，它們也會(huì )很快地就從視場(chǎng)中消失，因此難以對它們進(jìn)行研究。降低其溫度，可以使它們的速率減??；但是問(wèn)題在于：氣體一經(jīng)冷卻，它就會(huì )先凝聚為液體，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(huì )有速率達到幾十m/s的分子原子，因為分子原子的速率是按一定的規律分布的。接近絕對零度（－273℃以下）時(shí)，速率才會(huì )大為降低。當溫度低到10-6K，即1微開(kāi)（μK）時(shí)，自由氫原子預計將以低于25cm/s的速率運動(dòng)?？墒窃鯓硬拍苓_到這樣低的溫度呢？方法就是把激光束調諧到略低于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。

激光為什么能使原子減速？

光可以看成是一束粒子流，這種粒子就叫光子。光子一般來(lái)說(shuō)是沒(méi)有質(zhì)量的。但是具有一定的動(dòng)量。光子撞到原子上可以把它的動(dòng)量轉移給那個(gè)原子。這種情況要發(fā)生，必須是光子有恰好的能量，或者可以這樣說(shuō)，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因為光子的能量正比于光的頻率，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。是什么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）。原子處于一定的能級狀態(tài)，能級的躍遷就是原子吸收和發(fā)射光子的過(guò)程。原子的能級是一定的，它吸收和發(fā)射光子的頻率也是一定的。如果正在行進(jìn)中的原子被迎面而來(lái)的激光照射，只要激光的頻率和原子的固有頻率一致，就會(huì )引起原子的躍遷，原子會(huì )吸收迎面而來(lái)的光子而減小動(dòng)量。與此同時(shí)，原子又會(huì )因躍遷而發(fā)射同樣的光子，不過(guò)它發(fā)射的光子是朝著(zhù)四面八方的，因此，實(shí)際效果是原子的動(dòng)量每碰撞一次就減小一點(diǎn)，直至最低值。動(dòng)量和速度成正比，動(dòng)量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，實(shí)際上就是在激光的作用下使原子減速。

然而，實(shí)際上原子束是以一定的速度前進(jìn)的。迎面而來(lái)的激光在原子“看來(lái)”，頻率好象有所增大。這就好比在高速行進(jìn)的火車(chē)上聽(tīng)迎面開(kāi)來(lái)的汽車(chē)的喇叭聲一樣，你會(huì )覺(jué)得汽車(chē)是尖嘯而過(guò)，和平常大不相同。這就是所謂多普勒效應。也就是說(shuō)，對于火車(chē)上的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，汽車(chē)喇叭聲的頻率是增大了。運動(dòng)中的原子和迎面而來(lái)的激光也會(huì )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(dòng)中的原子的固有頻率，就會(huì )使原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達到使原子減速的目的。因此這種冷卻的方法稱(chēng)為多普勒冷卻。理論預計，對于鈉原子，多普勒冷卻的極限值為240μK。用激光可以把各種原子冷卻，使之降到毫開(kāi)量級的極低溫度，這就是20世紀70到80年代之間物理學(xué)家做的事情。

單個(gè)光子的反沖能量之所以會(huì )有一個(gè)極限值，是因為不論對多普勒冷卻還是偏振梯度冷卻，兩者都會(huì )發(fā)生連續的吸收和發(fā)射的循環(huán)過(guò)程。每個(gè)過(guò)程都會(huì )給原子以微小但卻不能忽略不計的反沖能量。如果原子幾乎是靜止的，免去了吸收－發(fā)射循環(huán)，原則上就可以在稀薄原子蒸氣中達到比反沖冷卻極限還要低的溫度，這就叫亞反沖冷卻。

社會(huì )影響

這幾位諾貝爾獎獲得者所創(chuàng )造的這些新研究方法，為擴大我們對輻射和物質(zhì)之間相互作用的知識作出了重要貢獻。特別是，他們打開(kāi)了通向更深地了解氣體在低溫下的量子物理行為的道路。這些方法有可能用于設計新型的原子鐘，其精確度比現在最精確的原子鐘（精確度達到了百萬(wàn)億分之一）還要高百倍，以應用于太空航行和精確定位。

人們還開(kāi)始了原子干涉儀和原子激光的研究。原子干涉儀可以用于極其精確地測量引力，而原子激光將來(lái)可能用于生產(chǎn)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(xué)鑷子”的發(fā)展，光子鑷子可用于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后觀(guān)察到了一維、二維甚至三維的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。這一切都是從人們能夠用激光控制原子開(kāi)始的。

研究歷程

早在1619年，當開(kāi)普勒試圖解釋為什么彗星進(jìn)入太陽(yáng)系彗尾總是背著(zhù)太陽(yáng)時(shí)，他曾經(jīng)提出，光可能有機械效應。

麥克斯韋在1873年、愛(ài)因斯坦在1917年都對所謂的“光壓”理論作過(guò)重要貢獻，特別是，愛(ài)因斯坦證明了，原子吸收和發(fā)射光子后，其動(dòng)量會(huì )發(fā)生改變。有光子動(dòng)量參與的過(guò)程首推康普頓效應，即X射線(xiàn)受電子的散射。最早觀(guān)察到反沖電子的是1923年C.T.R.威耳遜用云室作出的。

第一次在實(shí)驗中觀(guān)察到反沖原子的是弗利胥（1933年）。1966年索洛金（P.Sorokin）等人發(fā)明的可調染料激光器，為進(jìn)一步探討“光的機械特性”提供了優(yōu)越的手段。

早在20世紀70年代，比薩大學(xué)就已經(jīng)發(fā)現，可以用光泵方法使放在強激光場(chǎng)中的原子激發(fā)到無(wú)吸收的相干疊加狀態(tài)，即所謂的“暗態(tài)”?？贫鳎Z季和巴黎高等師范學(xué)院的一些同事，其中有阿里孟多（E.Arimondo，來(lái)自比薩）和阿斯派克特（A.Aspect），他們在一系列的實(shí)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(tài)。這個(gè)方法就叫速度選擇相干布居陷阱法（VSCPT）。

20世紀70年代列托霍夫（V.S.Letokhov）以及其他蘇聯(lián)物理學(xué)家和美國荷爾德?tīng)枺℉olmdel）貝爾實(shí)驗室阿斯金（A.Ashkin）。小組的物理學(xué)家在理論上和實(shí)驗上對光子與中性原子的相互作用進(jìn)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(xué)鑷子”的發(fā)展，光學(xué)鑷子可用于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(shí)，外蘭德（D.J.Wineland）和德默爾特（H.G.Dehmelt）對于離子陷阱中的離子也提出過(guò)類(lèi)似的建議。漢斯和肖洛的方法是：把激光束調諧到略低于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。

1985年朱棣文和他的同事在美國新澤西州荷爾德?tīng)枺℉olmdel）的貝爾實(shí)驗室進(jìn)一步用兩兩相對，沿三個(gè)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(lái)的激光束阻止了下來(lái)，然后把鈉原子引進(jìn)六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍微有些紅移。其效果就是不管鈉原子企圖向何方運動(dòng)，都會(huì )遇上具有恰當能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區域。在這個(gè)小區域里，聚集了大量的冷卻下來(lái)的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)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(huì )不斷降低速度。大家給這種機制起了一個(gè)綽號，叫“光學(xué)粘膠”。上述實(shí)驗中原子只是被冷卻，并沒(méi)有被陷俘。重力會(huì )使它們在1秒鐘內從光學(xué)粘膠中落下來(lái)。為了真正陷俘原子，就需要有一個(gè)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(gè)磁性線(xiàn)圈，以便給出略微可變化的磁場(chǎng)，其最小值處于激光束相交的區域。由于磁場(chǎng)會(huì )對原子的特征能級起作用（這種作用叫做塞曼效應），就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。這時(shí)原子雖然沒(méi)有真正被捉住，但卻是被激光和磁場(chǎng)約束在一個(gè)很小的范圍里，從而可以在實(shí)驗中加以研究或利用。

與此同時(shí)，菲利普斯和他在美國國家標準技術(shù)院的小組研究了在光學(xué)粘膠中緩慢運動(dòng)的中性鈉原子冷云團。他們被理論與實(shí)驗之間微小的不符所激勵，創(chuàng )造了精確測量處于不同冷卻條件的云團溫度的各種方法。他們采用一種技術(shù)測量原子從光學(xué)粘膠區域下落到探測激光束處的飛行時(shí)間。

1988年初，他們發(fā)現，原子的溫度約為40μK，比預計的多普勒極限240μK低得多。他們還發(fā)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。

朱棣文后來(lái)轉到斯坦福大學(xué)，他所帶的幾個(gè)研究小組以及科恩－塔諾季在巴黎高等師范學(xué)院的小組所做的實(shí)驗，不久就證實(shí)了菲利普斯的發(fā)現是真實(shí)的。斯坦福小組和巴黎的小組幾乎同時(shí)而且立刻對這一理論和實(shí)驗之間的分歧作出了解釋。原來(lái)多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設原子具有簡(jiǎn)單的二能級譜?？墒菍?shí)際上真正的鈉原子都具有好幾個(gè)塞曼子能級，不但在基態(tài)，而且在激發(fā)態(tài)也是如此?；鶓B(tài)子能級可以用光泵方法激發(fā)，也就是說(shuō)，激光能夠把鈉原子轉變?yōu)榘醋幽芗壊季拥牟煌植?，并引起新的冷卻機制。這種布居分布的細節依賴(lài)于激光的偏振態(tài)，而在光學(xué)粘膠中，在光學(xué)波長(cháng)量級的距離里偏振態(tài)會(huì )發(fā)生快速的變化。因此，人們?yōu)檫@種新的冷卻機制取了一個(gè)名稱(chēng)，叫“偏振梯度冷卻”。菲利普斯最早發(fā)現的特殊機制則取了另外一個(gè)名稱(chēng)，叫“希蘇伐斯冷卻”，希蘇伐斯是希臘神話(huà)中的一個(gè)角色，傳說(shuō)他被判處把重石頭推上山坡，而當重石被推到坡頂時(shí)，又會(huì )滾下山，于是他只能從頭開(kāi)始。原子總在失去動(dòng)能，就好象是上山一樣，經(jīng)激光場(chǎng)又被光激發(fā)回到山谷，如此周而復始，反復進(jìn)行，不斷冷卻降溫。人們把低于多普勒極限的過(guò)程稱(chēng)為亞多普勒冷卻。

1989年菲利普斯訪(fǎng)問(wèn)巴黎，他與高等師范學(xué)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(fā)現，和多普勒冷卻一樣，其它類(lèi)型的激光冷卻也有相應的極限。以從單個(gè)光子反沖而得的速度運動(dòng)的一團原子所相當的溫度就叫反沖極限。對于鈉原子，反沖極限溫度為2.4μK，而銫原子則低至0.2μK。上述實(shí)驗結果似乎就表示了，用偏振梯度冷卻有可能使一群無(wú)規的原子云達到十倍于反沖極限的溫度。在新近的發(fā)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(cháng)量級作為間隔，靠改變激光束的位形加以調整。由于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(wú)規狀態(tài)下所能達到的溫度的一半。例如，對于銫已經(jīng)達到了1.1μK。

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，比理論預計的反沖極限還小一倍。20世紀90年代初這一實(shí)驗發(fā)展到二維冷卻。

1994年科恩－塔諾季和阿斯派克特及另一個(gè)小組用兩對相互正交的并相向傳播的激光束，證明了二維冷卻可達250nK，約比反沖極限溫度低16倍。

最終在1995年實(shí)驗發(fā)展到用三對激光束，演示了沿三個(gè)方向的冷卻。最低的溫度達到180nK，比反沖極限還要低22倍。理論預計，氦原子的多普勒極限為23μK，反沖極限為4μK。

后續努力

朱棣文和他的小組在激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)中取得了突破性的進(jìn)展，引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。繼他們之后有很多科學(xué)小組很快超過(guò)了他們，但是他們開(kāi)創(chuàng )的激光減速方法和光學(xué)粘膠的工作一直是其它成果的基礎。他們自己也沒(méi)有止步，繼續作出了新的努力。

例如，原子噴泉就是一項有重大意義的實(shí)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(chuàng )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。他們把高度冷卻并被陷俘了的原子非常平緩地向上噴出，在重力場(chǎng)中作拋射體運動(dòng)，當到達頂點(diǎn)時(shí)原子正好處在微波腔內，然后在重力場(chǎng)的作用下開(kāi)始下落。這時(shí)，用相隔一定時(shí)間的兩束微波輻射脈沖對這些原子進(jìn)行探測。如果微波脈沖的頻率經(jīng)過(guò)正確的調諧，這兩個(gè)相繼的微波脈沖將使原子從一種量子態(tài)轉變成另一種量子態(tài)。用這種方法朱棣文小組曾經(jīng)測量過(guò)原子兩個(gè)量子態(tài)之間的能量差，第一次實(shí)驗的分辨率就高達一千億分之二。

借助原子噴泉可以對原子的能級進(jìn)行極為精確的測量，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(gè)科學(xué)集體正在試制這種原子鐘。