多普勒冷却和亚多普勒冷却

多普勒冷却利用失谐激光束的速度依赖性辐射压力来减缓原子，而亚多普勒机制则利用内部态结构达到更低的温度。

Definition

多普勒冷却是一种激光冷却，其中多普勒频移使原子从与其运动方向相反的光束中散射更多的光子，而不是从与其运动方向相同的光束中散射，从而产生速度阻尼力；亚多普勒冷却指的是通过利用原子的内部子能级结构，达到低于多普勒极限温度的机制，例如偏振梯度冷却。

Scope

本主题涵盖了自由原子的主要激光冷却机制：反向传播红失谐光束中的多普勒冷却、光学黏滞配置、由光子反冲设定的多普勒冷却极限，以及利用多个基态子能级和光泵浦将温度冷却到低于该极限并接近反冲极限的亚多普勒机制——主要是偏振梯度（西西弗斯）冷却。

Core questions

• 激光的红失谐如何产生速度依赖的冷却力？
• 什么是光学黏滞，多普勒冷却极限是什么？
• 为什么实际实验能达到低于多普勒极限的温度？
• 偏振梯度（西西弗斯）冷却如何工作？

Key concepts

• 辐射压（散射）力
• 红失谐和多普勒频移
• 光学黏滞
• 多普勒冷却极限
• 偏振梯度（西西弗斯）冷却
• 反冲极限

Key theories

多普勒冷却和光学黏滞

在三对反向传播的红失谐光束中，运动的原子会看到与其运动方向相反的光束多普勒频移到共振，并散射更多的光子，从而产生粘性阻尼力；光子反冲产生的残余加热设定了多普勒极限温度。

偏振梯度（西西弗斯）冷却

在空间变化的偏振光中，原子在爬上势能山后，会反复被光泵浦到较低能量的子能级，每个循环都会损失动能，从而冷却到远低于多普勒极限的温度，正如Dalibard和Cohen-Tannoudji所解释的。

Clinical relevance

多普勒冷却和亚多普勒冷却是在光学原子钟、原子干涉仪和量子技术中产生冷原子样本的最初阶段，而实际温度低于预测的多普勒极限的发现直接推动了亚多普勒冷却理论的发展。

History

多普勒冷却由Hänsch和Schawlow于1975年提出，并于1985年由Chu的团队以光学黏滞的形式实现，预计可达到几百微开尔文的极限。当Phillips的团队在1988年测量到远低于此的温度时，Dalibard和Cohen-Tannoudji于1989年通过偏振梯度冷却解释了这一意外现象。

Key figures

• Theodor Hänsch
• Arthur Schawlow
• Claude Cohen-Tannoudji
• Jean Dalibard

Seminal works

• hansch1975
• dalibard1989

Frequently asked questions

什么是多普勒冷却极限？

它是多普勒冷却单独能达到的最低温度，由冷却与自发发射光子随机反冲产生的加热之间的平衡决定。对于典型的原子跃迁，它对应于几百微开尔文。

为什么称之为西西弗斯冷却？

在偏振梯度冷却中，原子反复爬上势能山，损失动能，然后被光泵浦回到另一个山的底部——像神话中的西西弗斯一样永远攀爬——因此它不断释放能量并冷却。