磁光陷阱

在原子、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。 磁光陷阱由四極子式分佈的弱磁場，以及六束圓偏振、紅失諧（英语：Laser detuning）、且相互交叉的光學糖蜜（英语：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，儘管彭寧離子阱或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。 主條目：都卜勒冷卻 當光子被原子吸收時，根據動量守恆，光子會沿著行進方向輕推原子，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著同方向反射回去。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。 有了雷射冷卻所用到的紅失諧光束，再加上隨著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布，則讓塞曼位移隨著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。 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（英语：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（英语：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（英语：Gravity_gradiometry），而且可以部署在諸如無人機、地下鑽井...等環境之中。 偶极子陷阱 塞曼減速器（英语：Zeeman Slower） 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. （原始内容存档于2024-03-24） （英语）.  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. （原始内容存档于2024-07-12） （英语）.  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. （原始内容存档于2024-03-24） （英语）.  The Nobel prize in physics 1997. Nobelprize.org. October 15, 1997 [December 11, 2011]. （原始内容存档于2012-05-13）.  Raab E. L.; Prentiss M.; Cable A.; Chu S.; Pritchard D.E. Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure. Physical Review Letters. 1987, 59 (23): 2631–2634. Bibcode:1987PhRvL..59.2631R. PMID 10035608. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2631.  Metcalf, Harold J. & Straten, Peter van der. Laser Cooling and Trapping. Springer-Verlag New York, Inc. 1999. ISBN 978-0-387-98728-6.  Foot, C.J. Atomic Physics. Oxford University Press. 2005. ISBN 978-0-19-850696-6.  Monroe C, Swann W, Robinson H, Wieman C. Very cold trapped atoms in a vapor cell. Physical Review Letters. 1990-09-24, 65 (13): 1571–1574 [2024-03-17]. Bibcode:1990PhRvL..65.1571M. PMID 10042304. doi:10.1103/PhysRevLett.65.1571. （原始内容存档于2022-02-13）.  Liwag, John Waruel F. Cooling and trapping of 87Rb atoms in a magneto-optical trap using low-power diode lasers, Thesis 621.39767 L767c (1999) （页面存档备份，存于互联网档案馆） K B Davis; M O Mewes; M R Andrews; N J van Druten; D S Durfee; D M Kurn & W Ketterle. Bose-Einstein Condensation in a Gas of Sodium Atoms. Physical Review Letters. 1997-11-27, 75 (22): 3969–3973 [2019-06-27]. Bibcode:1995PhRvL..75.3969D. PMID 10059782. S2CID 975895. doi:10.1103/PhysRevLett.75.3969. （原始内容存档于2019-04-01）.  C. C. Nshii; M. Vangeleyn; J. P. Cotter; P. F. Griffin; E. A. Hinds; C. N. Ironside; P. See; A. G. Sinclair; E. Riis & A. S. Arnold. A surface-patterned chip as a strong source of ultra-cold atoms for quantum technologies. Nature Nanotechnology. May 2013, 8 (5): 321–324. Bibcode:2013NatNa...8..321N. PMID 23563845. S2CID 205450448. arXiv:1311.1011 . doi:10.1038/nnano.2013.47.  G. Puentes. Design and Construction of Magnetic Coils for Quantum Magnetism Experiments. Quantum Reports. July 2020, 2 (3): 378–387. doi:10.3390/quantum2030026 . hdl:11336/146025 .