磁光陷阱
在原子、分子和光学物理学中，磁光陷阱（英文: Magneto-optical trap, MOT）是一种利用激光冷却和空间变化磁场来创建陷阱，用以捕捉中性原子的装置。 磁光陷阱能达到的的温度取决于原子种类，最低可以低至几微克耳文。然而，某些原子（例如锂-7）的超精细结构无法被解析，所以磁光陷阱无法将其温度降低至多普勒冷却极限。
磁光陷阱由四极子式分布的弱磁场，以及六束圆偏振、红失谐、且相互交叉的光学糖蜜光束所构成。当原子远离陷阱中心的磁场零（两线圈之间）时，其能阶之间的跃迁频率会因塞曼位移随空间的改变，从而逐渐与六道光束的频率达到共振，并产生散射力，将原子推回到陷阱的中心。这就是磁光陷阱捕获原子的原理。另外，此一散射力来自于原子移动时，接收了迎面而来的光子所携带的反向动量。因此在经过吸收光子、再藉自发辐射释放出光子的多次循环后，平均而言，原子会逐渐被减速(或者说被“冷却”)。如此一来，磁光陷阱就能将秒速数百米的原子，冷却至仅剩秒速数十公分 (同样地，实际速度取决于原子种类)。
多普勒冷却
主条目：多普勒冷却
当光子被原子吸收时，根据动量守恒，光子会沿着行进方向轻推原子，将自身携带的动量转移过去。借由将激光光束的频率调低至原子的共振频率以下(称为“红失谐”)，则可以让原子只在往光源方向前进时，吸收因为蓝移而频率增高的光子，从而遭受阻力。
若要冷却原子，减缓其在任何方向上的速度，就得让原子在直角坐标系的三个轴向上都受到阻力。实现这件事最简单的作法，是将三道互相垂直的激光光束照向原子，再用镜子将三道光沿着同方向反射回去。不论原子往哪个方向移动，都会遇到一道迎面而来的光阻碍它的行动。
磁捕捉
有了激光冷却所用到的红失谐光束，再加上随着空间变化的四极子式磁场，就可以进行“磁捕捉”。外加磁场会造成原子超精细结构中 mf 态的塞曼位移，改变能阶之间的能量差距。而四极子式的空间分布，则让塞曼位移随着与陷阱中心的距离而增加。因此，当原子逐渐远离陷阱中心，原子能阶的共振频率也会越来越靠近红失谐光束的频率，而更有机会吸收光子，并被光子往陷阱中心踢回。
原子会被光子“踢”往哪个方向，取决于光的偏振方向，因为左旋和右旋的偏振光会各自与不同的 mf 态相互作用。只要选定适当的偏振方向，就能确保只有移向陷阱中心的光子会被原子吸收，让原子不断地被推往陷阱中心。
应用
由于磁光阱中的原子团密度低，且移动速度缓慢，因此这些原子的平均自由径相当长。这代表原子之间的碰撞次数较少，让原子能够维持在特定的量子态中更久，达到更长的“相干时间”，有助于进行量子资讯实验。
磁光阱通常是产生玻色-爱因斯坦凝聚的第一步。原子首先在磁光阱中冷却至反冲极限，再借由蒸发冷却降到更低温，并凝聚而达到更高的相空间密度。
磁光阱可应用在许多量子技术上，例如冷原子重力梯度仪[1]，而且可以部署在诸如无人机[2]、地下钻井[3]...等环境之中。
参见
参考资料
- ^ 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 .