磁光陷阱

原子、分子和光學物理學中,磁光陷阱(英文: Magneto-optical trap, MOT)是一種利用雷射冷卻和空間變化磁場來創建陷阱,用以捕捉中性原子的裝置。 磁光陷阱能達到的的溫度取決於原子種類,最低可以低至幾微克耳文。然而,某些原子(例如鋰-7)的超精細結構無法被解析,所以磁光陷阱無法將其溫度降低至都卜勒冷卻極限。

磁光陷阱的實驗架設,包含真空腔、圓偏振雷射光束、以及一對反亥姆霍茲線圈 (Anti-Helmholtz coil)。

磁光陷阱由四極子式分佈的弱磁場,以及六束圓偏振紅失諧英語Laser detuning、且相互交叉的光學糖蜜英語Optical molasses光束所構成。當原子遠離陷阱中心的磁場零(兩線圈之間)時,其能階之間的躍遷頻率會因塞曼位移隨空間的改變,從而逐漸與六道光束的頻率達到共振,並產生散射力,將原子推回到陷阱的中心。這就是磁光陷阱捕獲原子的原理。另外,此一散射力來自於原子移動時,接收了迎面而來的光子所攜帶的反向動量。因此在經過吸收光子、再藉自發輻射釋放出光子的多次循環後,平均而言,原子會逐漸被減速(或者說被「冷卻」)。如此一來,磁光陷阱就能將秒速數百公尺的原子,冷卻至僅剩秒速數十公分 (同樣地,實際速度取決於原子種類)。

順帶一提,儘管彭寧離子阱保羅離子阱可以藉由電場和磁場來捕獲帶電粒子,但這些陷阱對中性原子無效。

都卜勒冷卻

主條目:都卜勒冷卻

當光子被原子吸收時,根據動量守恆,光子會沿着行進方向輕推原子,將自身攜帶的動量轉移過去。藉由將雷射光束的頻率調低至原子的共振頻率以下(稱為「紅失諧」),則可以讓原子只在往光源方向前進時,吸收因為藍移而頻率增高的光子,從而遭受阻力。

若要冷卻原子,減緩其在任何方向上的速度,就得讓原子在直角坐標系的三個軸向上都受到阻力。實現這件事最簡單的作法,是將三道互相垂直的雷射光束照向原子,再用鏡子將三道光沿着同方向反射回去。不論原子往哪個方向移動,都會遇到一道迎面而來的光阻礙它的行動。

磁捕捉

有了雷射冷卻所用到的紅失諧光束,再加上隨着空間變化的四極子式磁場,就可以進行「磁捕捉」。外加磁場會造成原子超精細結構中 mf 態的塞曼位移,改變能階之間的能量差距。而四極子式的空間分佈,則讓塞曼位移隨着與陷阱中心的距離而增加。因此,當原子逐漸遠離陷阱中心,原子能階的共振頻率也會越來越靠近紅失諧光束的頻率,而更有機會吸收光子,並被光子往陷阱中心踢回。

原子會被光子「踢」往哪個方向,取決於光的偏振方向,因為左旋和右旋的偏振光會各自與不同的 mf 態相互作用。只要選定適當的偏振方向,就能確保只有移向陷阱中心的光子會被原子吸收,讓原子不斷地被推往陷阱中心。

應用

由於磁光阱中的原子團密度低,且移動速度緩慢,因此這些原子的平均自由徑相當長。這代表原子之間的碰撞次數較少,讓原子能夠維持在特定的量子態中更久,達到更長的「相干時間英語coherence time」,有助於進行量子資訊實驗。

磁光阱通常是產生玻色-愛因斯坦凝聚的第一步。原子首先在磁光阱中冷卻至反衝極限,再藉由蒸發冷卻英語Evaporative_cooling_(atomic_physics)降到更低溫,並凝聚而達到更高的相空間密度。

磁光阱可應用在許多量子技術上,例如冷原子重力梯度儀英語Gravity_gradiometry[1],而且可以部署在諸如無人機[2]、地下鑽井[3]...等環境之中。

參見

參考資料

  1. ^ Fixler, J. B.; Foster, G. T.; McGuirk, J. M.; Kasevich, M. A. Atom Interferometer Measurement of the Newtonian Constant of Gravity. Science. 2007-01-05, 315 (5808) [2024-03-24]. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1135459. (原始內容存檔於2024-03-24) (英語). 
  2. ^ Earl, Luuk; Vovrosh, Jamie; Wright, Michael; Roberts, Daniel; Winch, Jonathan; Perea-Ortiz, Marisa; Lamb, Andrew; Hayati, Farzad; Griffin, Paul; Metje, Nicole; Bongs, Kai. Demonstration of a Compact Magneto-Optical Trap on an Unstaffed Aerial Vehicle. Atoms. 2022-03, 10 (1) [2024-03-24]. ISSN 2218-2004. doi:10.3390/atoms10010032. (原始內容存檔於2024-07-12) (英語). 
  3. ^ Vovrosh, Jamie; Wilkinson, Katie; Hedges, Sam; McGovern, Kieran; Hayati, Farzad; Carson, Christopher; Selyem, Adam; Winch, Jonathan; Stray, Ben; Earl, Luuk; Hamerow, Maxwell. Magneto-optical trapping in a near-suface borehole. PLOS ONE. 2023-07-11, 18 (7) [2024-03-24]. ISSN 1932-6203. PMC 10335664 . PMID 37432927. doi:10.1371/journal.pone.0288353. (原始內容存檔於2024-03-24) (英語).