摘要：激光冷却原子气体（利用激光技术将原子冷却到绝对零度左右的气体）已被证明是研究和控制量子现象的多功能物理平台。当这些原子气体在光腔（即设计用于捕获和增强光线的结构）内与光线相互作用时，它们可以产生效应，利用这些效应可以实现量子传感或模拟复杂的量子系统。
激光冷却原子气体（利用激光技术将原子冷却到绝对零度左右的气体）已被证明是研究和控制量子现象的多功能物理平台。当这些原子气体在光腔（即设计用于捕获和增强光线的结构）内与光线相互作用时，它们可以产生效应，利用这些效应可以实现量子传感或模拟复杂的量子系统。
该团队的实验装置：原子在真空腔内冷却并减速，直到它们被困在腔体（真空腔下半部分为黑色三角形腔体间隔物）内的晶格中。上方可以看到热原子与塞曼慢速激光器相互作用时发出的蓝色荧光，下方可以看到被困在腔体中的原子发出的细条荧光。
物理学家利用装载在光腔中的原子气体，观察到了各种有趣的效应，包括自组织相变（其特点是气体原子自发排列成有序的图案）、激光和量子相干性的保持。不过，一般来说，这些效应只能在短时间内观察到，因为需要在空腔中重新装入新的原子才能再次产生这些效应。
科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院的联合研究所--JILA的研究人员最近利用装入环形（即圆形）光腔的激光冷却锶-88（88Sr）原子，演示了持续数小时的连续激光。他们的论文发表在《自然-物理》（Nature Physics）杂志上，为开发超静音激光器以及量子计算机和传感技术提供了新的可能性。
“我们实验的最初目标是建立一个连续超辐射激光器，这个工具可以让我们在短时间内进行高精度的频率测量，”论文第一作者维拉-M-舍费尔博士告诉我们“这可以帮助我们探索不同的状态，寻找暗物质和其他新的物理现象。”
研究人员舍费尔、牛、汤普森及其同事的长期目标是实现极其先进的超窄频线宽激光器，这种激光器可用于搜索暗物质或开发原子钟等精密设备。然而，在努力实现这一目标的过程中，他们发现了一种奇特的、意想不到的效果，它反映了这样一个事实：当能量被泵入一个系统时，自然界可以自发地组织起来。
詹姆斯-汤普森（James K. Thompson）教授解释说："当我们试图在构成激光腔的高反射镜之间装入非常冷的原子气体时，我们看到激光从我们的系统中射出。说白了，我们的激光腔就像一个钟，只是用来发出光而不是声音。它喜欢以特定的频率敲响。”
发射光的特性。a、当扫描裸腔失谐f c时，可以识别出四个光发射区，它们的区别在于发射光的频率δ L。b 、不同区域的 g (2) 相关函数。c、区域 I 中激光的节拍，其本振来自冷却激光器，其线宽为 FWHM = 7(1) kHz。d 、以不同速度沿腔轴输运原子时，发射到 cw ( f L,cw ) 和 ccw ( f L,ccw ) 方向的光的频率差。e，对于固定晶格（傅里叶级数受测量时间限制），顺时针和逆时针发射光之间的节拍音的半高宽 (FWHM) 线宽小于 18(1) Hz；对于较小的传输速度（v t ≲ 0.8 cm s –1），半高宽 (FWHM) 线宽小于 200 Hz。
“原子让这个'钟'响了起来，并发出了光。当我们研究这些光的来源时，我们发现了许多奇怪的现象，其中最主要的是，改变钟的共振频率几乎不会改变它发出的光的频率。
在获得意想不到的观测结果后，研究人员开始着手更好地理解其背后的物理学原理。这反过来又可以为原子钟和引力波探测器的未来发展提供信息。
汤普森说："要理解这一点，我必须给你们讲一个关于原子钟和引力波探测器的故事。事实证明，原子钟和引力波探测器都依赖于构建频率非常非常非常（我说得够非常了吗？）稳定的光学腔体。”
然而，当人们建造这些物体时，会发现这些'铃铛'似乎在随着频率摆动和抖动。为什么会这样呢？因为它们是由真正的原子在有限的温度下做成的，这些原子经历了相当于随机抖动的布朗运动。
该团队的实验装置：原子在真空腔内冷却并减速，直到它们被困在腔体（真空腔下半部分为黑色三角形腔体间隔物）内的晶格中。上方可以看到热原子与塞曼慢速激光器相互作用时发出的蓝色荧光，下方可以看到被困在腔体中的原子发出的细条荧光。
为了规避原子钟和引力波探测器的这一限制，汤普森和他在 JILA 的实验室正在尝试制造一种超辐射激光器。这种激光器的频率不应取决于光腔的频率，而应取决于原子锶中一种频率很窄的原子转变。
汤普森说：“要制造出这样的产品，我们必须持续使用其他普通激光器，将锶原子冷却到绝对零度以上的千万分之一度。”
资深博士生牛志敬补充说："我们已经想出了如何连续激光冷却和装载原子，而不是像我们领域几乎所有其他实验那样在时间上交错进行（即冷却和装载一些原子，简单做一些科学研究，然后扔掉，重复）。”
在实验过程中，研究人员还没来得及利用非常狭窄的原子转变，就观察到激光从光腔中射出，并发现这种现象持续了几个小时。这一引人入胜的观察结果是他们近期工作的主要灵感来源，因为他们渴望了解其深层原因。
现象学模型。a、我们可以使用速率方程来模拟观察到的行为。b – e，该模型再现了不同腔牵引系数下稳定发光区域以及原子数调制导致腔频率钉扎的现象，如b和c中的数据以及d和e中相应的模拟所示（红色： δ ca随时间增加；浅蓝色：δ ca随时间减小）。b中的误差（传播标准差）已包含在标记尺寸中。
“这是一次相当特殊的实验，因为通常情况下，你要努力实现一个特定的目标，并在途中解决问题，”舍费尔说。“我们看到了一些完全出乎意料的现象，起初也不知道是什么原因造成的。因此，我们一步步排除了不同的可能性，直到我们最终开始了解发生了什么，并发现这种激光机制甚至不需要我们尝试，就能稳定我们腔体的有效频率。”
最终，研究人员意识到，他们观察到的激光是光子吸收和随后受激发射的结果，产生了不同的动量状态。换句话说，他们发现 88个Sr 原子吸收了一个光子，导致光子反冲，然后将一个光子投射到空腔中，产生了他们观察到的连续激光。
牛说："当我们通过激光冷却光束向系统输入能量时，这似乎就是自然界提供的增益机制。”
汤普森补充道：“然而，这种增益机制也会导致原子发热，进而形成一个有趣的反馈回路，将有效光腔频率保持在一个固定值，即使我们想尽办法改变它也无济于事。”
该研究小组最近开展的研究为光与物质之间的相互作用提供了新的视角，可为未来超辐射激光器的开发提供参考。值得注意的是，他们观察到的许多物理现象只发生在连续实验中，而不是循环实验中。
实验装置。a、原子从 3D 糖蜜（红色云）中连续加载到高精细度环形腔内 150 μK 深 813 nm 晶格中。b、在腔模式下，激光输出功率显示出与原子数相关的明显阈值行为，在最高原子数下达到 3 × 10 11 光子 s –1或约 90 nW。统计误差 (sd) 包含在标记大小中。c 、所有三个冷却激光器均与 7.5 kHz 宽的至3 P 1跃迁 ( f a , m j = 0) 相互作用，激发态塞曼分裂 Δ f = ±1.2 MHz（方法）。d、689nm1S0mj=0 3P1mj=−1原子的动量态分布可以用麦克斯韦-玻尔兹曼分布很好地近似，该分布决定了发射光子频率的概率分布，从而产生与麦克斯韦-玻尔兹曼分布梯度成比例的拉曼增益。
舍费尔解释说：“只有从较嘈杂的状态开始，然后缓慢地改变空腔参数，使其进入一个不那么稳定的状态，这种状态才会出现最有趣的激光状态。“因此，建立一个连续运行的冷原子实验让我们看到了一些新的效应。
受该领域近期工作（包括这项最新研究）的启发，许多对原子和激光物理学感兴趣的研究人员正在将重点从周期性实验转向连续性实验。由此产生的连续操作平台可以为引入新的高性能技术（包括量子计算系统和超窄线宽激光器）铺平道路。
汤普森补充说：“未来，我们计划真正利用锶的窄线宽转变来制造令人难以置信的单色激光器，以探索世界。在此过程中，我们已经看到了很多有趣的东西，比如利用集体效应保护被称为物质波和光学时钟的量子传感器免受噪声干扰，或者利用这些相同的系统模拟 BCS 超导。我们肯定会非常忙碌！”
来源：光电查