拉曼冷卻

拉曼冷卻（英語：Raman cooling）是原子物理學中一種雷射冷卻手段，它可以將原子冷卻到低於都卜勒冷卻極限的溫度。由於光子帶給原子的反衝動能，都卜勒冷卻只能將原子冷卻到幾百微開量級，如Rb原子的都卜勒溫度為140微開。 拉曼冷卻可以在單獨的光學粘團或在疊加了光晶格的光學粘團中進行，分別稱為自由空間拉曼冷卻和拉曼邊帶冷卻。兩種技術都利用了原子對雷射的拉曼散射 。

雙光子拉曼過程

兩個基態之間的拉曼雙光子過程，通過一個與真實激發態略微紅失諧的虛能級相聯繫

原子的兩個超精細能級之間的躍遷可以由兩束不同波長的雷射觸發：一束光把原子激發到虛能級激發態(比如雷射的頻率比真實的躍遷頻率低)，第二束光使原子退激發到另一個超精細能級。而這兩束光的頻率差正好是兩個超精細能級的能級差。

這個過程的圖示如上。雙光子拉曼過程在兩個超精細能級$|g_{1}\rangle$和$|g_{2}\rangle$之間發生，中間能級，也就是虛能級在圖中用虛線表示，虛能級較之真實激發態能級$|e\rangle$有一個紅失諧。兩束雷射的頻率差$f_{2}-f_{1}$正好與$|g_{1}\rangle$和$|g_{2}\rangle$的能量差匹配。

自由空間拉曼冷卻

在自由空間拉曼冷卻的實驗配置中，需要向預先被冷卻到幾十微開爾文的原子團打一系列雷射脈衝，使它們經歷類似上節所述的拉曼雙光子過程。空間位置上兩束雷射相對著打向原子團。除了$f_{2}$現在要調成略微紅失諧外（失諧為$\Delta$），兩束雷射頻率配置與上節完全相同。這樣配置後，由於都卜勒頻移，向著雷射2的源運動得足夠快的原子可以正好和雷射共振，被激發到$|g_{2}\rangle$態，並且由於吸收了一個光子，動量守恆使得此原子速度減小。

如果將兩束雷射的傳播方向對換，那麼向另一個方向飛行的原子會被激發，然後速度減小。所以通過規律地改變雷射的傳播方向，以及調節失諧$\Delta$，就可以設法使得所有初速度滿足$|v|>v_{max}$ 的原子處在$|g_{2}\rangle$態，同時所有速度滿足$|v|<v_{max}$的原子仍舊處於$|g_{1}\rangle$態。這時打開一束新的光，頻率調節至恰好能激發$|g_{2}\rangle$態到$|e\rangle$態的躍遷，這束光通過稱為光抽運的過程將原先處在$|g_{2}\rangle$態抽運到$|g_{1}\rangle$態，由於自發輻射的隨機性，末態時原子的速度變化是隨機的，這樣就有一部分原子最終的速度會小於$v_{max}$，達到冷卻的目的。

多次重複這個過程（原論文中重複了8次，詳情見參考文獻），原子團的溫度可以達到低於1μK的水平。

拉曼邊帶冷卻

拉曼邊帶冷卻

這種冷卻機制針對的是已被磁光阱束縛的原子。首先啟用一個光晶格，將相當一部分原子束縛在光晶格中。如果光晶格的雷射足夠強，它的每個格點就可以近似看作一個諧振子勢阱。一般而言，原子並不處在諧振子的運動基態，而是處於某個激發態。拉曼邊帶冷卻的目的就是將每個格點上的原子冷卻到運動基態。

我們考慮一個二能級的原子，它的基態的量子數為$F=1$，對應磁量子數為三重簡併的$m=-1,0,1$。由於塞曼效應，加上磁場後原子基態的三重簡併被消除了。塞曼能級劈裂與外加磁場強度成正比，因此調節磁場強度，使塞曼能級劈裂與諧振子能級差恰好相等。

通過拉曼雙光子過程，一個原子可以躍遷到磁量子數與振動能級都減小1的態（如圖中紅線所示）。這之後，處在運動基態但磁量子數$m\neq 1$的原子會被光抽運到$m=1$的態（$\sigma _{+}$光與$\pi$光的作用）。因為原子的溫度和泵浦光頻率相比足夠低，所以原子有極大可能不會在光抽運過程中改變它的振動能級。這樣，最終原子被製備到振動能級更低的態，也即原子被進一步冷卻了。

為了在重複上述步驟時能始終保持高效，需要小心地調節雷射的參數，也就是雷射的功率與打雷射的時機。總體而言，對應不同的振動態有不同的參數，因為振動能級由原子與雷射的耦合強度（拉比頻率）決定。躍遷時光子的反衝也是一個困難之處，但這個困難可以通過蘭姆迪克機制避免。這個機制說，如果光晶格的雷射強度非常強，勢阱中的原子就幾乎不會因為自發輻射放出光子而改變其動量。穆斯堡爾效應中也有類似情況。

這種冷卻機制可以只用光學手段將相當高密度的原子冷卻到一個很低的溫度。最近的實驗表明甚至可以使用拉曼邊帶冷卻來獲得玻色愛因斯坦凝聚。比如，這個獲得銫原子的玻色愛因斯坦凝聚的實驗 就將拉曼邊帶冷卻作為它的第一步。