给爱因斯坦的一封信和激光冷却技术的进步如何引导物理学家进入新的物质量子态不敢公布的秘密是什么？

通往玻色-爱因斯坦凝聚态和简并费米气体的道路铺就了本不应该奏效的想法，但确实行得通，正如查德·奥泽尔在他三部分激光冷却历史的最后一部分所解释的那样。

在20世纪的最后二十年里，原子物理学家一再打破宇宙中最冷温度的记录。这些成就有赖于一些进步，包括激光冷却、磁光阱和西西弗斯冷却等技术，其效果比预期的要好。到1990年，物理学家经常将数千万个原子冷却到绝对零度以上几十微开尔文的温度——比传统的低温技术低一千倍，是激光冷却简单原子预测的“多普勒冷却极限”的一小部分。

然而，尽管这次暴跌是戏剧性的，但温度下降更具挑战性：从微开尔文到纳开尔文，又增加了1000倍。这种额外的下降将引入一个新的物理学领域，称为量子简并。在这里，低温和高密度迫使原子进入两种奇特的物质状态之一：玻色-爱因斯坦凝聚态，其中气体中的所有原子聚结成相同的量子态，或者简并费米气，其中气体的总能量停止下降，因为所有可用的能量状态都是满的。

BEC和DFG是纯粹的量子现象，原子的总自旋决定了它们中的哪一个会形成。如果原子有偶数个电子、质子和中子，它就是玻色子，可以经历BEC。如果总数是奇数，则它是一个费米子，可以产生一个DFG。同一元素的不同同位素有时表现相反——物理学家已经制造了锂-7的BEC，用锂-6制造了DFG——这种低温行为的差异是量子粒子之间基本分裂的最戏剧性的证明之一。

与本系列中描述的先前突破一样，量子简并的潜入要归功于分散在世界各地的研究实验室中引入的新技术。而且，与早期的进步一样，其中一项技术完全是偶然出现的。

在1980年代中期，卡尔·威曼在美国科罗拉多大学博尔德分校研究铯原子的奇偶性违反。这些研究需要耗时且严格的光谱测量，Wieman的博士生Rich Watts开发了一种方法，使用二极管激光器进行测量，例如为CD播放器制造的二极管激光器。

在花了数年时间弄清楚如何稳定和控制这些廉价的固态设备之后，Watts想要完成他的博士学位，所以他和Wieman四处寻找一个短期的实验来测试它们。他们找到的答案是激光冷却。“完成这个学生的论文是一件有趣的小事，”Wieman回忆道，“这就是我进入”激光冷却“的完全方式。

1986年，Watts和Wieman成为第一个用激光冷却铯原子束的人。Watts也是第一个激光冷却铷的人，在纽约石溪大学与哈尔·梅特卡夫一起做博士后，他参与了比尔·菲利普斯实验室的开创性实验，揭示了亚多普勒冷却在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究院的实验室。然而，就像我们在这段历史上遇到的另一位关键人物一样，沃茨过早地离开了舞台，于 1996 年去世，年仅 39 岁。

与此同时，Wieman需要一个新的科学靶点，而这只能用冷原子来完成。他与新同事和竞争对手一起，在一个非常古老的想法中发现了它，这个想法具有无可挑剔的科学血统：玻色-爱因斯坦凝聚。

1924 年，Satyendra Nath Bose 是达卡大学的物理学家。在教授快速发展的量子物理学这一新兴领域时，他意识到马克斯·普朗克关于热物体光谱的公式可以从控制光子行为的统计规则中推导出来，光子比经典粒子更有可能在相同状态下被发现。

Bose 很难发表他的作品，所以他给阿尔伯特·爱因斯坦寄了一份副本，阿尔伯特·爱因斯坦非常喜欢它，他安排它和他自己的一篇论文一起发布在 Zeitschrift für Physik 上。爱因斯坦的贡献包括将光子统计扩展到其他类型的粒子，并指出一个有趣的结果：在非常低的温度下，系统最有可能的状态是所有粒子都占据相同的能量状态。

这种集体状态现在被称为BEC，与超流动性和超导性密切相关，在接近绝对零度的温度下，分别在液体和固体中观察到。然而，BEC跃迁本身原则上可以发生在稀原子气体中——就像原子物理学家在1970年代开始创造的一样。

不过，也有一些障碍。一是BEC形成的临界温度由密度决定：密度越低，临界温度越低。尽管西西弗斯冷却使微开尔文温度成为可能，但激光冷却的原子蒸气是如此漫射，以至于它们的转变温度甚至更低，在纳开尔文范围内。它也低于与原子吸收或发射单个光子相关的“反冲温度”。因此，低于此限制的冷却必须在没有激光的情况下进行。

这些问题的一般解决方案来自麻省理工学院的Daniel Kleppner及其同事。它类似于冷却一杯茶的机制。茶中的水分子以不同的速度移动，最快的水分子有足够的能量挣脱并漂浮成水蒸气。因为这些“逃逸者”携带的能量大于平均水平，所以剩余的分子最终会变得更冷。一旦它们运动中的能量通过分子之间的碰撞重新分配，系统就会在较低的温度下达到新的平衡。

Kleppner的方法被称为蒸发冷却，它需要两个要素：一种是从陷阱中选择性地去除最热原子的方法，以及原子之间的碰撞速率，该速率足够高，足以使样品在之后重新平衡。第一个元素与光子反冲问题的解决方案密切相关：通过将原子从磁光阱转移到纯磁阱中，原子可以保持“黑暗”。“热”原子的较高能量需要更大的磁场来限制它们，而这种大磁场会在原子的能级中产生塞曼位移。因此，适当调谐的射频信号可以将这个高场的“热”原子翻转到未捕获的状态，而不会干扰较冷的原子。留下的较冷原子也被限制在较小的体积内，因此随着温度的降低，密度增加，使系统以两种方式更接近BEC。

然而，碰撞问题不在实验主义者的控制范围之内。相关速率由一个参数描述：一对碰撞原子在特定状态下的散射长度。如果该散射长度适中且为正，则蒸发将迅速进行，并且产生的冷凝水将稳定。如果散射长度太小，蒸发会很慢。如果为负值，则冷凝水将不稳定。

显而易见的解决方案是选择具有正确散射长度的原子，但事实证明，从第一性原理计算这个参数非常困难。它需要根据经验来确定，在1990年代初期，没有人做过必要的实验。因此，开始追求BEC的小组从元素周期表中选择了不同的元素，每个小组都希望“他们的”可能是“正确的”。Wieman和他的新同事Eric Cornell甚至从铯转向铷，因为铷的两种稳定同位素使他们的机会增加了一倍。

由于只需关闭激光器并通过磁铁线圈运行更多电流即可将MOT变成纯磁阱，因此BEC的第一步是激光冷却实验的直接扩展。由此产生的“四极阱”配置只有一个主要问题：陷阱中心的场为零，在零场时，原子可以将其内部状态改变为不再被捕获的状态。从陷阱中心堵住这种原子的“泄漏”需要找到一种方法来防止被捕获的原子改变状态。

几年来，这是激光冷却研究的一个主要领域。除了康奈尔大学和威曼之外，在激烈的BEC竞赛中，麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特尔是主要竞争者之一。他的团队开发了一种将原子推离零场区域的方法，使用聚焦在陷阱中心的蓝色失谐激光作为“塞子”。康奈尔和威曼则使用了一种全磁技术，他们称之为时间轨道势陷阱。

康奈尔大学在1994年初的一次会议回来的飞机上开发了TOP，部分原因是需要限制对其设备的破坏。虽然他和Wieman没有空间容纳另一束激光束，但他们可以在垂直于四极线圈的轴周围添加一个小的额外线圈，这将改变零场位置。当然，陷阱中的原子会向新的零点移动，但不会很快。如果他们在振荡电流的驱动下，在不同的轴上使用两个小线圈，以每秒几百次的速度将零点移动，那么用康奈尔的话来说，这可能足以让它保持在“原子不在的地方”。

那年夏天，他们测试了这个想法，使用一个由廉价音频放大器驱动的小线圈。起初，增加的磁场使缠绕在玻璃蒸气池上的线圈发出令人震惊的嘎嘎声，被驱动线圈发出刺耳的高音调呜呜声，但原理是合理的，因此他们制造了一个更坚固的版本。几个月后，在1995年初，康奈尔大学与凯特尔讨论了陷阱方案，并认为麻省理工学院团队的光学插头“永远不会起作用”。它基本上是一根大的旧旋转棒指向那里。然而，他承认凯特尔可能对TOP也有同样的感觉：“他可能在想'这是我一生中听到的最愚蠢的想法。所以我们俩都对那次谈话非常满意。

事实上，这两种技术都确实有效。康奈尔和威曼是第一个证明这一点的人，他们进行了一系列实验，他们将激光束照射到他们的冷原子云中。在这些“快照”中，云中的原子会吸收来自激光的光子，在光束中留下阴影。这个阴影的深度是云密度的量度，而云的大小则表示原子的温度。随着蒸发的进行，快照显示球形对称的原子云随着热原子的逐渐去除而缓慢收缩和冷却。

然后，在1995年6月，在大约170纳开尔文的温度下，戏剧性的事情发生了：在他们的图像中心出现了一个小黑点，代表了温度极低和密度较高的原子。康奈尔说，没过多久就弄清楚发生了什么：“中心密度飙升。如果不是玻色-爱因斯坦凝聚，那里会发生什么?

为了证实他们的怀疑，他和Wieman将他们的一些阴影图像转换为现在标志性的三维图，将热原子显示为一个宽阔的基座，而BEC则显示为中心出现的“尖峰”。尖刺的形状——一个方向比另一个方向宽——编码了一个线索。由于它们的顶部捕集器在垂直方向上比水平方向更强，因此冷凝水在该方向上被挤压得更紧，这意味着它在释放后在该方向上膨胀得更快。虽然他们没有预料到这种形状变化，但他们很快就能够解释它，增加了他们的信心，他们已经达到了BEC的“圣杯”。

康奈尔和威曼在1995年6月初的新闻发布会上宣布了他们的结果。他们的论文于次月发布在杂志上。今年9月，Ketterle及其同事制作了他们自己的一套3D图，显示当他们的钠原子云达到转变温度时，出现了类似的“尖峰”。康奈尔、威曼和凯特尔继续分享2001年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在稀原子蒸气中取得的BEC成就。

1995年初，康奈尔大学招募了一位新的博士后，Deborah “Debbie” Jin。她的丈夫约翰·博恩是博尔德NIST的物理学家，他回忆说，康奈尔大学说：“很多人会告诉你，BEC还需要几年的时间，但我真的认为我们会这样做。他是对的：第一次BEC发生在Jin同意接受这份工作和她开始工作之间。

Jin来自不同的研究社区 - 她的论文是关于奇异超导体 - 但她很快就了解了激光和光学，并在探索BEC特性的早期实验中发挥了关键作用。作为一名冉冉升起的新星，她获得了许多永久职位的邀请，但她选择留在 JILA 这所混合机构，结合了科罗拉多大学和 NIST 的专业知识。在那里，为了将自己的工作与康奈尔和威曼的工作区分开来，她决定追求另一类超低温行为：简并费米气体。

如果玻色子受统计规则的支配，这使得其中两个更有可能处于相同的能量状态，那么费米子就被绝对禁止共享状态。应用于电子，这是解释化学大部分的泡利不相容原理：原子中的电子“填充”了可用的能量状态，最后一个电子的确切状态决定了给定元素的化学性质。磁阱中的费米子原子遵循类似的规则：当气体冷却时，最低状态会被填满。然而，在某个时候，所有的低能量状态都满了，云不能再缩小了。与BEC一样，这是一种纯粹的量子现象，与粒子之间的相互作用无关，因此在超冷原子的气体中应该可以观察到它。

Jin于1997年开始在JILA工作，当时只有一名研究生Brian DeMarco，他被康奈尔大学聘用，但在康奈尔大学的推荐下转而与Jin一起工作。正如德马科回忆的那样，康奈尔告诉他，“如果你和黛比能成为第一个制作DFG的人，那将是一件大事，而且很有可能做到这一点。

两人开始时是一个空荡荡的实验室，甚至没有家具。Bohn回忆说，他们坐在他与Jin共用的办公室的地板上，为他们未来的激光器组装电子设备。然而，在一年之内，他们就拥有了磁捕获和蒸发冷却费米子钾原子的工作装置。

对DFG的追求带来了两个挑战，超出了BEC竞赛中面临的挑战。首先，在超低温下，蒸发冷却的再平衡步骤所需的碰撞停止发生，因为禁止两个费米子处于相同状态，使它们无法碰撞。为了解决这个问题，Jin和DeMarco将一半的原子置于不同的内部状态，提供了足够的跨态碰撞来实现蒸发。在该过程结束时，他们可以删除两种状态中的一种，并对其余状态进行成像。

第二个问题是，虽然BEC的实验特征是原子云中间的巨大密度尖峰，但费米简并性更为微妙。原子拒绝聚集在一起的关键现象表现为云在达到转变温度后停止进一步收缩的形式。研究如何区分简并气体和热云需要仔细建模和成像系统，该系统可以可靠地测量分布形状的微小变化。

尽管面临这些挑战，但在从空房间开始仅仅18个月后，Jin和DeMarco发表了对简并费米气体的首次观测。几年后，由凯特尔、莱斯大学的兰迪·胡莱特、巴黎ENS的克里斯托夫·所罗门和杜克大学的约翰·托马斯领导的团队紧随其后。

与此同时，Jin继续使用激光和磁场将简并原子转化为分子，开辟了超冷化学的新领域。这项工作获得了无数赞誉，包括麦克阿瑟基金会的“天才奖”、美国物理学会的 I I Rabi 奖和物理研究所的艾萨克·牛顿奖章。

然而，除了奖金之外，金的遗产是巨大的。她开创的子领域已经发展成为原子物理学最重要的领域之一，她以前的学生和同事继续领导着超冷费米子的研究。为了表彰她对指导的承诺，APS 每年都会设立黛博拉·金原子、分子或光学物理学杰出博士论文研究奖。

这个系列涵盖了半个多世纪。在那段时间里，使用激光操纵原子的想法从贝尔实验室物理学家脑海中的闲暇好奇心变成了大量尖端物理学的基础技术。激光冷却离子是量子信息科学发展最重要的平台之一。激光冷却的中性原子为世界上最好的原子钟提供了基础。康奈尔、威曼、凯特尔和金首先观察到的量子简并系统产生了一个巨大的子领域，将原子物理学与凝聚态物理学和化学联系起来。激光冷却的原子对物理学研究仍然至关重要，世界各地的实验室每天都在书写新的历史。