◆◇研究報導◆◇ 朱棣文院士獲獎新聞稿 (原分所研究員汪治平•研究助理曹景懿譯) 瑞典皇家科學院決定頒發1997年諾貝爾物理獎給美國史丹佛大學 朱棣文（Steven Chu）教授，法國巴黎工業學院Claude Cohen-Tannoudji 教授，和美國國家科技標準局William D.Phillips 博士，以表揚 他們發展用雷射來冷卻及侷限原子的方法所作的貢獻。 漂浮在「光學糖膏」中的原子 在室溫下，組成空氣的原子和分子以每小時四千公里的速度向各 個方向運動。因為它們無法被固定在一個地方仔細觀察，這些高速 的原子和分子很難研究。降低溫度可以減低它們的速度，問題是降 溫時氣體通常會凝成液體，然後再結為固體。在液體和固體中原子 或分子之間太靠近，更難研究單一原子或分子的性質。在真空腔中 ，氣體可維持夠低的密度，不致凝結。但就算溫度已降至攝氏零下 270度，原子大約還有每小時四百公里的速度。只有趨近絕對零度（ 攝氏零下 273度）時它們的速度才會真正慢到可以觀察的程度。例 如絕對溫度降至百萬分之一度（1μK）時，氫原子的運動速度便低 於每小時一公里（即每秒25公分）。 朱棣文, Claude Cohen-Tannoudji和William D. Phillips所發展 的方法，能夠利用雷射光將氣體溫度降至μK的範圍，並使冷卻後的 原子困在各種原子侷限裝置中。在適當的條件下，雷射光對於高速 運動的原子的效應像黏稠的糖膏，號稱「光學糖膏」。原子在這樣 的雷射光中運動速度大減，因而可加以侷限後精確研究它們的性質 和內部結構。當愈來愈多的原子被困住之後，一團稀薄的低溫原子 氣體便形成了。這種低溫原子氣體可用來詳細研究原子之間的交互 作用。上述諾貝爾獎得主所發展的新方法，使我們對於輻射與物質 間相互作用的知識大為增加，尤其是開闢了深入理解氣體低溫量子 行為的大道。這些方法已引發了原子干涉儀和原子雷射的研究，可 能應用於重力的精密測量和未來製造極微小的電子零件。這些方法 也可導致更準確的原子鐘，應用於太空導航和全球定位。 以光子減慢原子的速度 光可被視為一束帶有能量和動量的粒子，稱之為光子。狹義地說 光子沒有質量，但具動量。就像冰上曲棍球中滑行的扁石若撞到另 一顆相同的扁石，會將它的動量轉移給那顆被撞的扁石，自己變得 靜止。同樣地，光子撞到原子而被吸收時也會把所有動量轉移給原 子，但前提是光子必須具有與原子能階匹配的能量。由於光子的能 量和光的頻率成正比，而頻率又決定了光的顏色，換句話說，光必 須有正確的頻率或顏色。例如組成紅光的光子就比組成藍光的光子 能量低。 光子的能量是否與原子匹配是由原子內部的結構（能階）所決定 的。當原子移動時，由於都卜勒效應，匹配的條件也隨之改變。光 的頻率隨觀測者的運動而變，正如向著我們駛近的火車的汽笛聲比 靜止火車的音調高了許多。對著光逆向而行的原子，相對於靜止原 子，吸收較低頻率的光子。假設原子以相當大的速度迎面與光子束 對撞，這時只要光子的能量正確，原子就可吸收其中一個光子並接 收它的動量。原子的速度會因此減慢一些。經過極短的時間之後， 通常約億分之一秒，變慢的原子會放出一個光子，然後立刻又可從 迎面而來的光子束中吸收新的光子，速度又變慢一些，這個過程反 覆進行。放出的光子也有動量，它會給原子一個小小的反彈速度。 然而反彈速度的方向是隨機分布的，不會累積，所以經過多次的吸 收和放出光子之後，原子的速度便大大減低了。這個原子減速過程 中需要很強的光子束。在恰當的條件下，原子減速的效果就像一個 往上拋出的球受到相當於十萬倍地心引力的減速力量。 都卜勒冷卻和「光學糖膏」 以雷射光束冷卻原子的方法正是基於上述強力減速的作用。這個 方法大約是在1985年間由朱棣文在紐澤西州貝爾實驗室和他的同事 們所發展出來的。他們使用六個雷射光束，兩兩面對面放在互相垂 直的三個方向上。真空腔內的一束鈉原子，先被反向的雷射光停住 ，再被導引至六個雷射光束的交會處。和靜止鈉原子所能吸收的特 定光頻相比，六個雷射光束的頻率稍微低一些。這樣一來所造成的 效果是無論鈉原子往哪個方向移動，都會遇到能量匹配的光子，因 而又被推回光束交會處。在那裡約百萬個冷卻下來的原子組成一團 像雲一樣肉眼可見的發光體，體積如豆子般大小。這種冷卻法稱為 都卜勒冷卻。 在雷射光束交會處的原子就像在黏稠的液體中一般，無論往哪個 方向運動都受到反向的阻滯力。因而號稱為「光學糖膏」。決定「 糖膏」中原子的溫度的方法是先切斷雷射光，再測量原子的擴散速 度。量到的溫度是240μK。在這溫度下鈉原子的速度大約是每秒30 公分，與理論計算出的都卜勒極限溫度極為吻合，因此在當時被視 為都卜勒冷卻可達的最低溫度。 上述實驗中原子雖被冷卻但未被侷限住，重力使它們在一秒內便 掉出光學糖膏之外。真要防止它們漏掉，侷限裝置是不可少的。 1987 年間一個極有效的侷限裝置被建造出來，它叫做磁光侷限器（ MOT）。它用到和上面實驗相同排列方式的六個雷射光束，另外再加 上兩個螺旋磁圈來產生微量變化的磁場，其最小值在雷射光束交會 處。因為磁場會影響原子的能階（Zeeman效應），形成一個比重力 還大的光學推力，可將原子拉回侷限區中央。於是原子被侷限在真 空中，能夠加以長時間的測量或保留供進一步實驗使用。 超越都卜勒極限 1980年代初期William D. Phillips和他的同事們曾以磁場減慢甚 至完全停住慢速的原子束。Phillips發展出一種稱為Zeeman減速器 的侷限裝置，它的特徵為一個變化磁場，設置於原子被反向雷射減 速的軸上。這種裝置使Phillips能夠在1985年間將鈉原子停住並侷 限在僅使用磁場的侷限器內。但這種侷限裝置的效果較弱，因此只 有非常冷的原子才會留在其中。當Chu設法以光學糖膏來冷卻原子時 ， Phillips設計了一套類似的實驗，並開始有系統地研究糖膏中原 子的溫度。他發展出好幾種測量溫度的新方法，包括讓原子在重力 吸引下掉落，藉由雷射測量掉落的曲線來決定溫度。 Phillips在1988年發現原子溫度可以低至40μK。這個數值比理論 算出的都卜勒極限低了六倍！原來都卜勒極限的計算是基於簡化的 原子模型，而早先大家以為簡化的模型已經夠符合實際了。在此之 前巴黎工業學院的Claude Cohen-Tannoudji和他的同事就已經從理 論上研究較複雜的冷卻構想。他們和Chu的研究群很快地就了解到 Phillips實驗結果的解釋需要追溯到鈉原子最低能階的Zeeman次能 階結構。這些次能階與光束快速變換的偏極方向之間的交互作用， 使得整個過程好比希臘神話中受到處罰的Sisyphus必須不停的滾石 頭上山一般，在上坡的過程中原子的動能愈來愈少，掉回山谷的時 候能量又被光子帶走，整個過程又重新開始。因此這個冷卻過程被 稱為 Sisyphus冷卻。 當原子放出單一光子時，它得到的反彈速度所對應的溫度稱為反 彈極限。鈉原子的反彈極限為2.4μK，較重的銫原子則大約為0.2μ K 。Phillips透過和Cohen-Tannoudji及他的巴黎同事們合作，展示 了光學糖膏中的銫原子可被冷卻至比反彈極限大約高十倍的溫度， 亦即大約2μK。起初的實驗似乎指出在光學糖膏中比反彈極限只高 十倍的溫度大致就是冷卻的極限，然而後來Phillips和巴黎的研究 群均展示了在適當的光束安排下，他們能夠使原子以規律的間隔侷 限在空間中，形成所謂的光學晶格，其中的原子群彼此間距離等於 光波長。他們展示了原子在光學晶格中可被冷卻至比反彈極限大約 只高五倍的溫度。 超越反彈極限 原子會從放出的光子得到反彈速度，這個現象為都卜勒冷卻及 Sisyphus冷卻設下了極限。即使最慢的原子也會被迫不斷的吸收和 放出光子，這個過程給原子一個小但不可忽略的速度，因此氣體就 保有一定的溫度。如果能使最慢的原子忽略所有光子，或許便能達 到更低的溫度。已知有一種機制可使靜止的原子轉入「暗態」，在 這個狀態原子不吸收光子，但困難在於如何把這種方法和雷射冷卻 結合在一起。 Claude Cohen-Tannoudji和他的研究群在1985到1988年間根據都 卜勒效應發展出一種方法，可使最慢的原子轉入「暗態」。他和他 的同事證明這個方法可作用在一維、二維和三維空間。他的所有實 驗均使用氦原子，其反彈極限為4μK。在第一個實驗中他們使用兩 個面對面的雷射光束，結果達到相當於反彈極限一半的一維空間速 度分布。接著使用四個雷射光束，所達到的二維空間速度分布相當 於溫度0.25 μK，即反彈極限的十六分之一。最後使用六個雷射光 束，達到速度分布相當於溫度0.18μK的狀態。在這種條件下氦原子 大約只以每秒兩公分的速度匍匐前進。 應用已不遠 雷射冷卻和侷限原子的技術正在熱烈發展中。特別值得一提的是 Chu所建造的原子噴泉，其中經雷射冷卻的原子像噴泉般從侷限裝置 內向上噴出。在軌跡最上端，原子轉而開始落下的地方，它們幾乎 是靜止的。在那裡可以很有效地利用微波脈衝來測量原子內部的結 構。用這種技術相信可造出比目前精準百倍的原子鐘。另外，一個 已經引起科學界極大興趣的發現：原子氣體中的Bose-Einstein凝聚 現象，也是建築在今年獲獎的技術上。 相關閱讀資料和參考論文 1.Cooling and Trapping Atoms, by W. D. Phillips and H. J. Metcalf, Scientific American, March 1987, p.36. 2.New Mechanisms for Laser Cooling, by C. N. Cohen-Tannoudji and W. D. Phillips, Physics Today,~T93BY1; October 1990, p.33. 3.Laser Trapping of Neutral Particles, by S. Chu, Scientific American, February 1992, p. 71. 4.Le Refroidissement des Atomes par Laser, by A. Aspect and J. Dalibard, La Recherche, January 1994, p.30. 5.Experimenters Cool Helium below Single-Photon Recoil Limit in Three Dimensions, by G. B. Lubkin, Physics Today, January 1996, p.22. 6.Three-Dimensional Viscous Confinement and Cooling of Atoms by Resonance Radiation Pressure,Steven Chu, L. Hollberg, J. E. Bjorkholm, Alex Cable, and A. Ashkin, Physical Review Letters 55, 48(1985). 7.Observation of Atoms Laser Cooled below the Doppler Limit, Paul D. Lett, Richard N. Watts, Christoph I. Westbrook, William D. Phillips, Phillip L. Gould and Harold J. Metcalf, Physical Review Letters 61, 169(1988). 8.Laser Cooling below the One-Photon Recoil Energy by Velocity-Selective Coherent Population Trapping, A. Aspect, E. Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C. Cohen-Tannoudji, Physical Review Letters 61, 826(1988). 9.Two-Dimensional Subrecoil Laser Cooling, J. Lawall, F. Bardou, B. Saubamea, K. Shimizu, M. Leduc, A. Aspect, and C. Cohen-Tannoudji, Physical Review Letters 73, 1915( 1994). 10.Three-Dimensional Laser Cooling of Helium beyond the Single-Photon Recoil Limit, J. Lawall, S. Kulin, B. Saubamea, N. Bigelow, M. Leduc, and C. Cohen-Tannoudji, Physical Review Letters 75, 4194(1995). (曹景懿、汪治平譯自諾貝爾基金會所發佈的新聞稿。) 原文刊於： http://www.nobel.se/announcement-97/physics97.html 和 http://www.nobel.se/announcement-97/phyback97.html 編按：朱棣文院士與二位學者於上週共同榮獲一九九七年諾貝爾 物理獎，為使同仁進一步瞭解得獎的研究內容，本刊特請原子與分 子科學研究所研究員汪治平博士與該實驗室研究助理曹景懿博士就 諾貝爾基金會發表之新聞稿做一中文報導，以饗讀者。本文譯者結 合了基金會公布之專業及一般大眾版，翻譯出較淺顯易懂之文章。 文末另列了十篇相關閱讀資料及參考論文，有興趣的讀者將可更容 易找到相關資料。在此特別感謝兩人在忙碌的研究工作之餘撥冗撰 寫此文。