在原子物理学的寂静世界中，科学家们长期以来一直试图利用物质在接近绝对零度时的奇异行为。当原子被冷却到如此极端的程度时，它们会减速，并开始表现得不再像微小的台球，而更像波，这使得研究人员能够以惊人的精度测量时间、重力和旋转。这一被称为冷原子干涉测量技术的领域，依赖于利用激光和磁场来捕捉原子云。多年来，这些实验通常只使用一种类型的原子，例如铷或铯。然而，一个新的前沿领域正在开启：将不同类型的原子混合在同一个陷阱中。这样做可以实现更复杂的测量，例如测试重力是否以完全相同的方式影响不同的质量，或者构建能够同时测量多个方向运动的传感器。挑战在于，不同的原子经常会相互干扰，发生碰撞并将彼此从陷阱中撞出，这使得保持混合群体的稳定性变得极其困难。
法国国家航空航天研究院（ONERA）的一个研究小组现在在解决这一问题方面迈出了重要一步，他们成功地同时捕捉并冷却了三种不同类型的原子：两种同位素的铷和一种铯。他们构建了一个专门的实验室装置，旨在使其紧凑且稳固，使用了一种基于电信技术的激光系统，该系统足够小，甚至可以安装在移动车辆上。该系统并没有使用笨重、复杂的设备，而是依靠一个光纤网络和仅有的四个激光二极管。通过仔细转换这些激光器的光，他们生成了捕捉并冷却这三种原子所需的特定颜色的光。其结果是一个“磁光阱”，它在一个超高真空下的微型玻璃室中，保存着一个包含每种类型约一亿个原子的云团。
研究人员特别感兴趣的是，当这些不同的原子被迫共享同一空间时，它们会如何表现。在以往使用两种原子的实验中，科学家观察到原子有时会发生碰撞并逃离陷阱，从而减少了陷阱中原子的总数。为了了解这是否会对他们的三物种混合物产生问题，团队进行了一系列测试。他们首先在陷阱中加载一种原子，然后加入第二种，最后加入第三种，并仔细统计了每个阶段剩余的原子数量。他们发现，两种化学性质非常相似的铷原子互不干扰；它们和平共处，没有引起任何损失。然而，当引入铯时，确实产生了一些摩擦。铯的存在导致少量的铷原子被撞出陷阱，反之亦然。
尽管存在这些碰撞，但混合物仍然保持稳定。团队计算出，由于这些相互作用导致的原子损失非常小，不到总数的百分之七。这意味着该系统足够稳健，可以在进行复杂测量所需的持续时间内保持大规模、混合的原子云。研究人员还寻找了是否存在更复杂的相互作用证据，即三个原子可能在同一时刻发生碰撞，但并未发现此类事件发生的迹象。他们的测量显示，原子损失的速率与已知关于铷和铯之间碰撞的数据一致，证实了他们的激光系统正按预期精确工作。
这项工作证明了使用紧凑的全光纤激光系统创造一个稳定的多物种环境是可能的，这是未来应用的关键要求。能够将这三种物种同时捕捉在一起而不损失显著比例的原子，表明科学家现在可以向构建同时使用多种类型原子的先进传感器迈进。此类传感器最终可用于以空前的精度测量加速度和旋转，从而有望带来不依赖卫星的新型导航系统。该研究证实，虽然原子之间存在相互作用，但这种相互作用是可控的，这为开发能够在现实世界中运行的新一代量子仪器铺平了道路。
技术摘要：三物种 87Rb/85Rb/133Cs 磁光阱的特性表征
问题陈述
多物种冷原子系统的开发对于推进量子技术（包括精密惯性传感、基本常数测量和量子模拟）至关重要。虽然此前已有双物种混合物和三物种磁光阱（MOT）的演示，但目前尚无现有的三物种装置被证明能够兼容基于冷原子干涉的高精度惯性测量。对于车载应用而言，一个主要的障碍是需要处理不同物种众多原子跃迁的激光系统过于复杂且体积庞大。此外，在三物种配置中，物种间碰撞对陷阱稳定性及原子数量的影响，仍是未来干涉应用中需要表征的关键变量。
实验方法
作者展示了一种旨在同时捕获并冷却三种原子物种（85Rb、87Rb 和 133Cs）的实验装置。
- 激光系统： 该系统采用基于电信级 1.5 μm 和 2 μm 技术、紧凑型全光纤架构。四台可调谐激光二极管作为主要光源。通过非线性阶段进行频率上转换：1560 nm 源的二倍频（SHG）产生用于铷（Rubidium）的 780 nm 光；而 1560 nm 与 1878 nm 源的和频（SFG）产生用于铯（Cesium）的 852 nm 光。通过电光调制器（EOM）进行的相位调制为所有三种物种生成必要的冷却和再泵浦线。
- 真空与捕获： MOTs 在超高真空（UHV）腔室（∼10−9 mbar）内的玻璃池中形成，使用商业分配器作为原子源。该陷阱采用后反射光学配置，磁四极场梯度为 15 G/cm。
- 成像与诊断： 使用带有窄带滤光片（780 nm 和 852 nm）的光电二极管监测荧光，并使用 CMOS 相机进行空间成像。通过对相机数据进行二维高斯拟合来估算原子密度和原子数量。
- 实验方案： 研究涉及单物种、双物种和三物种 MOT 的加载序列。通过交替使用再泵浦线，作者测量了加载曲线和稳态原子数，以量化物种间相互作用。数据通过速率方程进行分析，以提取二体和三体陷阱损失系数。
关键结果
- 捕获性能： 系统成功地同时捕获并冷却了每种物种约 108 个原子。加载时间对于 133Cs 约为 159 ms，对于 85Rb 约为 162 ms，对于 87Rb 约为 168 ms。
- 物种间损失：
- 铷-铷（85Rb/87Rb）： 在双物种或三物种配置中，未观察到两种铷同位素之间存在显著损失。其陷阱损失系数上限为 β85,87<1.9×10−12 cm3/s。
- 铷-铯： 铷与铯之间存在可测量的损失。在双物种 MOT 中，向铷 MOT 中加入铯会导致 85Rb 原子数减少 1.6%，87Rb 原子数减少 6.7%。反之，向铯 MOT 中加入铷会导致铯计数减少 1.3%（85Rb）和 6.4%（87Rb）。
- 系数： 计算得出的二体物种间陷阱损失系数为 β87,Cs≈βCs,87=1.1×10−11 cm3/s 且 β85,Cs≈βCs,85=2.6×10−12 cm3/s。
- 三物种动力学： 在三物种 MOT 中，相对于单物种操作，总原子数损失对于每种物种均小于 7%。85Rb 与 87Rb 的比例从 60/40（无铯时）变为 65/35，这归因于 87Rb 与 133Cs 之间更强的损失相互作用。
- 三体碰撞： 未观察到显著的三体陷阱损失碰撞。三体系数的上限计算为 βi,j,k<1.5×10−23 cm6/s。
意义与主张
论文声称，所演示的系统适用于未来的多物种冷原子干涉应用。其主要意义在于两个方面：
- 紧凑性： 基于电信波长的全光纤激光系统为车载惯性测量提供了一种鲁棒且紧凑的解决方案，解决了多物种激光装置通常存在的体积庞大问题。
- 干涉的可行性： 对物种间损失的表征表明，尽管存在异核碰撞，但其导致的原子数损失最大仅约为 7%。作者认为，在所考虑的机制下，这些非弹性碰撞预计不会显著影响冷原子干涉仪的性能。然而，他们也指出，不导致陷阱损失的碰撞（例如弹性碰撞或 mF 改变碰撞）仍可能诱发频率漂移并影响精度，这是一个需要进一步研究的课题。
该工作验证了原始激光系统在标准原子冷却与捕获方面的运行情况，并确认了该实验装置符合未来三物种干涉仪的要求。
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