Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils

要理解这些研究人员的工作，首先必须领会减缓原子运动这一精妙的艺术。原子是物质的基本构建模块，但当它们处于高温状态时，会以惊人的速度飞速移动，并以混沌的方式发生碰撞和散射。为了以极高的精度对其进行研究，或将其用于原子钟等先进技术，科学家必须先将它们的温度降低到接近绝对零度。这通常是利用激光实现的。尽管光通常会将物体推开，但科学家们已经发现，可以通过调节激光，使向光束运动的原子吸收光子，并接收到一个使其减速的轻微“踢力”。通过从各个方向布置激光，他们可以创建一个陷阱，将原子固定在原处，并使其冷却到近乎静止的状态。这种被称为磁光阱的技术是许多现代量子实验的标准起点，但其所需的设备通常庞大且复杂，需要多台强力激光器和大型磁线圈才能运行。

东京大学及其合作机构的一个物理学家团队，现在展示了一种以更少设备和能量实现这种冷却的方法。他们制造了一个紧凑型装置，利用单束激光和一种特殊形状的反射镜来捕获并冷却铷原子。传统的设置需要六束独立的激光从不同角度指向原子，而他们的设计则使用了一个铝制的空心圆锥。当一束激光射入该圆锥中心时，内壁会将光线反射回来，从而有效地将光束分割成环绕原子的多束光。圆锥的形状还将光线聚焦向中心，使陷阱的效率大大提高。这使得研究人员能够使用比传统方法显著更低的激光功率来捕获大量的原子。

研究人员将这种圆锥形反射镜与磁线圈集成到了一个单一的小型机械单元中。他们将激光束射入圆锥，并利用磁场将铷原子固定在原位。他们发现，当激光强度设定在每平方厘米 6.5 毫瓦的特定较低水平时，捕获的原子数量达到峰值。这大约比标准六束光陷阱所需的功率低了四倍。在这些最佳条件下，他们成功捕获了约一千万个原子。这种高效性直接归功于圆锥的几何形状，它将光线精确地集中在原子所在的位置，而不是将其分散在更大的区域。

一旦原子被捕获，团队便希望观察他们能将原子冷却到什么程度。他们应用了一种称为偏振梯度冷却的技术，该技术利用光的细微特性来进一步移除原子的能量。结果显示，原子变得极其寒冷，达到了远低于此类冷却技术标准极限的温度。然而，冷却在不同方向上并不一致。在沿圆锥横向运动的方向上，原子冷却到了约 13.4 微开尔文；但在沿圆锥轴线纵向运动的方向上，它们仍然较热，约为 106 微开尔文。这种差异是因为圆锥产生的光模式在两个方向上是不同的：光的排列方式在阻止横向运动方面非常有效，但在阻止沿圆锥长度方向的运动方面效果较差。

团队还测量了原子在最初被捕获后、在应用额外冷却步骤之前的温度。他们发现，横向运动的原子温度约为 1.2 毫开尔文，这大约是具有相似设置的标准六束光陷阱中典型温度的七倍。这证实了早期的计算机模拟，即圆锥形状会产生一种特定的力，这种力在冷却绕圆锥中心做圆周运动的原子时效率较低。虽然这种径向温度高于理想状态，但能够使用这样一个单一、紧凑且高效的设备捕获如此大量的原子，代表了向前迈出的重要一步。研究人员已经证明，这种简单的集成反射镜系统可以作为冷原子的实用且有效的来源，为开发更小型、更便携的量子传感器和原子钟铺平了道路，这些设备未来有望在实验室之外广泛应用。