磁光阱和光镊

磁光阱结合激光冷却和磁场梯度来限制冷原子，而光偶极阱和光镊则利用聚焦光的梯度力来捕获原子或粒子。

Definition

磁光阱是一种通过结合反向传播激光束和磁场梯度来同时冷却和限制中性原子的装置，使辐射压力与位置相关；光镊是一种紧密聚焦的激光束，其强度梯度施加偶极力，将原子或微观粒子固定在焦点处。

Scope

本主题涵盖了限制冷原子的主要方法：磁光阱，它在光学糖浆中加入四极磁场以产生与位置相关的恢复力；以及保守光学偶极阱和单束光镊，它们利用聚焦的、远失谐激光束的强度最大值来捕获原子。本主题将讨论捕获力、捕获深度以及光镊阵列的使用。

Core questions

• 磁场梯度的加入如何将光学糖浆转变为陷阱？
• 塞曼效应在磁光阱中扮演什么角色？
• 光偶极力如何限制原子或粒子？
• 如何使用光镊捕获和排列单个原子？

Key concepts

• 四极磁场梯度
• 与位置相关的辐射压力
• 亚能级的塞曼位移
• 光偶极力
• 远失谐捕获
• 光镊阵列

Key theories

磁光阱

四极磁场使原子亚能级发生塞曼位移，从而使位移的原子从将其推回中心的激光束中散射更多光，在光学糖浆的速度相关冷却之上产生与位置相关的恢复力。

光偶极捕获和光镊

远失谐的聚焦激光束在原子或介电粒子中诱导振荡偶极；对于红失谐，产生的偶极力将其拉向强度最大值，从而实现保守捕获和操纵，正如 Ashkin 所证明的。

Clinical relevance

磁光阱是几乎所有冷原子实验的标准起点，包括原子钟和量子模拟器，而光镊则可用于中性原子量子计算的单原子阵列，以及生物物理学中细胞和生物分子的操纵。

History

Ashkin 开创了粒子的光学捕获，于1986年展示了单束梯度阱（光镊），这项工作获得了2018年诺贝尔物理学奖的一部分。次年，Raab、Pritchard、Chu 及其同事实现了磁光阱，该技术迅速成为收集冷原子的通用工具。

Key figures

• Arthur Ashkin
• Steven Chu
• David Pritchard
• Jean Dalibard

Seminal works

• raab1987
• ashkin1986

Frequently asked questions

磁光阱和光偶极阱有什么区别？

磁光阱利用耗散辐射压力和磁梯度来同时冷却和限制原子。光偶极阱利用远失谐光束的保守偶极力来限制原子而不进行冷却，通常是在原子已经过激光冷却之后。

光镊如何捕获单个原子？

紧密聚焦的、远红失谐激光在其焦点处产生一个微观势阱，其深度足以容纳一个原子。通常会安排加载过程，使光诱导碰撞排出成对的原子，从而使每个光镊中恰好留下零个或一个原子。