在现代物理学中，对原子和分子温度的精确操纵和控制为量子模拟和量子信息处理等领域带来了无限可能。在量子力学和光学的交汇点上，激光冷却成为一项突破性技术。它可以将物质冷却到极低的温度，为这些领域的进步铺平了道路。

激光冷却是一种利用激光降低原子、离子或固体温度的技术，这种技术在激光发明之前就已经有了概念。然而，直到 20 世纪 70 年代，朱棣文及其同事才通过实验证明了这一概念。他们的开创性工作揭示了利用激光精确控制原子的动量，可以将原子冷却到接近绝对零度的温度。由于朱棣文、Claude Cohen-Tannoudji 和 William D. Phillips 在激光冷却技术发展方面的开创性贡献，他们于 1997 年被授予诺贝尔物理学奖。

本文将深入探讨激光冷却的具体细节，研究其原理、方法以及在量子模拟和精密计量学中的应用，突出其在推动现代物理学和技术发展中的作用。

激光冷却方法

激光冷却方法因冷却系统而异。在气态系统中，原子的动量被捕获在其平移自由度中，而在固态系统中，原子的动量被储存在晶格振动（也称为声子）中。尽管存在这些差异，但激光冷却的总体目标--利用激光减少原子的动量，在不同的系统中保持一致。

Photodigm 公司的 DBR 激光器可用于激光冷却、原子捕获，原子钟、光子纠缠等实验。

Sacher Lasertechnik 公司的 Micron Laser 系列 ECDL 激光器可用于激光冷却、原子捕获，原子钟、光子纠缠等实验。

激光冷却的核心是多普勒冷却原理。该原理概述了向激光束移动的原子如何吸收光子，然后以随机方向重新发射光子。这一过程可有效减少系统的动量，从而实现冷却。除了多普勒冷却，还有其他方法，如西西弗斯冷却和蒸发冷却，使用这些方法可以实现超低温。

基本光学冰箱的剖视图。完整的光学制冷器包括将激光功率输送到冷却元件、去除荧光能量、热隔离和机械支撑冷部件以及保持高真空的组件。资料来源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。

1、多普勒冷却

多普勒冷却是激光冷却技术的基础，依赖于原子与激光的相互作用。该方法采用简单的两能级体系，可用于中性原子和离子。

这种技术是指以一定速度运动的原子遇到一束略低于其共振频率的激光。由于多普勒效应，原子的感知频率高于激光频率，从而吸收光子。随后的反斯托克斯荧光会减弱原子的动量，从而促进冷却。这种方法可达到的最低温度（称为多普勒极限）约为 100 μK。

相关自由度，可用于不同起始温度下的激光冷却。平移是通过多普勒效应冷却的，在温度很低和高度稀释的气体中发挥作用。分子碰撞产生的辐射再分布也可用于冷却稠热气体中的平移自由度。在中间温度范围内，通过反斯托克斯荧光的声子湮灭冷却振动是可行的。后一种情况通常在固体中得到满足，这种方法就是固体的光学制冷。资料来源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。

(a) 垂直腔面发射激光器（VECSEL）的输出可调谐性是腔内光学低温冷却器低温运行所必需的。输出功率超过 20 W，斜率效率大于 40%。(b) 通过腔内 Yb:YLF 冷却元件达到 131 K 的光学制冷温度（激光器的腔体布局见插图，激光器腔体完全封闭在一个真空室中，图中未示）。在室温下自启动激光作用后，振荡波长通过腔内双折射滤波器（未图示）不断调整，在 1020 nm 处达到最大冷却效果。资料来源：Seletskiy, D. et al. (2016)，《Laser cooling in solids: advances and prospects》，《Reports on Progress in Physics》 。

2、西西弗斯冷却

西西弗斯冷却或亚多普勒激光冷却是在多普勒冷却的基础上，利用原子的超精细结构进行冷却。它利用了原子在光学晶格内的周期性运动，光学晶格由正交偏振激光束形成。当原子穿过该晶格时，它们会遇到空间变化的能量景观，从而减小其动量，进而降低温度。西西弗斯冷却所能达到的最低温度（通常称为反冲极限）在 0.1 至 1 μK 之间。

3、蒸发冷却

蒸发冷却是实现超低温的一种独特方法。它是利用射频或微波技术，有选择性地将最热原子从捕获的超冷气体中移除。这一过程降低了剩余原子的平均动能，从而降低了整体温度。蒸发冷却在实现量子简并（一种原子表现出集体量子力学行为的状态）方面发挥了关键作用。

激光冷却的应用

1、原子钟和精密测量

原子钟对于全球导航系统和物理学基础研究等广泛应用中的精确计时和同步至关重要。激光冷却原子是原子钟的重要组成部分，因为它们为原子钟提供了稳定性和精确性。近来，激光冷却原子钟在大地测量、电信和太空探索等领域取得了重要发展。

光学时钟运行。资料来源：Ye, J., & Katori, H. (2017)，《Optical Lattice Clocks and Quantum Metrology》，《arXiv preprint》。

光学晶格中的光谱学。资料来源：Ye, J., & Katori, H. (2017)，《Optical Lattice Clocks and Quantum Metrology》，《arXiv preprint》。

2、量子信息处理

激光冷却原子和离子在量子计算机和模拟器的开发中发挥着重要作用。激光冷却原子的长相干时间为实现量子门和存储量子信息提供了精妙的控制。在激光冷却和量子力学的帮助下，研究人员旨在解决经典计算机无法解决的复杂计算问题，包括密码学和材料科学。

OEwaves 公司的 Hi-Q®超窄线宽激光器系列可用于光学计量和光谱学、量子计算、量子通信、量子传感等应用场景。

3、精密计量学与基础物理学

激光冷却技术在理解物理定律方面发挥了关键作用。它能够精确测量物质的基本常数和属性。此外，在激光冷却原子的帮助下，还设计了一些实验来测试量子力学原理，研究引力和惯性力的极限。它还在探索玻色-爱因斯坦凝聚和量子简并等新现象方面发挥了重要作用。

最新发展与研究

激光冷却技术领域的最新发展为科学研究开辟了新的道路。其中一项重大突破是混合冷却技术的使用。这种创新方法不仅扩大了原子和分子物种的冷却范围，还增强了量子模拟、精密光谱学和量子信息处理等领域的研究能力。

最近发表的论文进一步将激光冷却技术的应用扩展到复杂的量子系统，包括极性分子和对称顶分子，拓宽了潜在研究的视野。

发表在《Nature》上的一项重要研究表明，利用磁光俘获成功地将多原子分子，特别是氢氧化钙(CaOH)冷却到110 μK 的温度。这项研究的结果将 CaOH 定位为量子科学领域（包括但不限于量子模拟和计算进步）中一个极具应用前景的实体。

激光冷却和再泵送方案。资料来源：Vilas, N. B., Hallas, C., Anderegg, L., Robichaud, P., Winnicki, A., Mitra, D., & Doyle, J. M. (2022)，《Magneto-optical trapping and sub-Doppler cooling of a polyatomic molecule》，《Nature》。

随后的研究也发表在《Nature》上，开发了一种用于操纵超冷多原子分子的光镊阵列。他的阵列不仅有助于精确控制分子内部的量子态，而且还引入了效率更高的非破坏性成像能力。这一进展将彻底改变分子操作和观察的方法。

分子能量图和实验装置。资料来源：Vilas, N. B., Robichaud, P., Hallas, C., Li, G. K., Anderegg, L., & Doyle, J. M. (2024)，《An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules》，《Nature》。

分子镊阵列。资料来源：Vilas, N. B., Robichaud, P., Hallas, C., Li, G. K., Anderegg, L., & Doyle, J. M. (2024)，《An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules》，《Nature》。

跨学科研究工作的汇聚促进了激光冷却与原子捕获技术相结合的集成平台的发展。这些创新最终造就了小巧、便携的冷原子装置。这些器件将重新定义包括惯性传感、量子通信和导航系统在内的各种领域应用。

挑战

尽管激光冷却技术不断进步，但要充分发挥其潜力仍面临巨大挑战。复杂的实验装置和对实验参数精确控制的需求，给激光冷却技术的实施带来了重大挑战。此外，杂散光、与残留气体的相互作用以及磁场等外部参数会导致捕获原子退相干，从而降低该技术的效率。

将激光冷却技术扩展到更大的系统或复杂的分子仍然是一项艰巨的挑战，需要创新的方法来克服技术限制和可扩展性问题。

未来展望与结论

激光技术、量子光学和材料科学的最新进展为激光冷却技术令人振奋的未来奠定了基础。释放这一潜力的关键在于提高激光冷却方法的效率、可扩展性和多功能性。这些改进不仅有望带来突破性的发现，而且有望带来重新定义技术前沿的创新。

将激光冷却原子和离子与量子网络和传感器等新兴量子技术相结合，有望改变通信、传感和计算方式。此外，开拓新的冷却机制和探索复杂的量子态可以大大加深我们对量子世界的理解。

当前激光冷却技术的进步为超冷物质技术的革命性应用铺平了道路。这些进步不仅扩大了我们的精确测量能力，也为探索量子力学的奥秘提供了无与伦比的机会。

总之，激光冷却正在超越理论物理学的界限，涉足量子力学、精密计量学和量子计算领域。在未来，利用最冷的温度可能会带来最重大的发现，突破科学和技术上可实现的极限。（参考文献略，来源：光电查）