上海光机所提出一种简单、可靠和通用的生成冷原子的方法

激光冷却中性原子自1975年提出以来得到了迅速的发展，目前冷原子在国际上许多实验室中被广泛应用于基础物理、现代计量、量子传感、精密测量、空间技术等领域。激光冷却原子的典型结构包括磁光阱和光学粘胶。这两种方法都需要对三对相向传播激光束的传播方向、偏振和功率进行严格的校准，磁光阱还需要一对反亥姆霍兹线圈来捕获冷原子。然而，基于它们的冷却原理，磁光阱和光学粘胶中冷原子的数目和尺寸都是有限的，冷原子数通常约为10⁹，体积大约1cm³。

王育竹院士于1979年提出了第三种方法——漫反射激光冷却，近年来在原子钟上获得了成功的应用，引起了人们广泛的关注。这种原子钟利用漫反射激光冷却的原子在球形或圆柱形微波腔内作为时钟介质。漫反射激光冷却不需要对准任何激光束，从而使激光冷却简单和可靠。它在微波腔中的成功应用表明，该方法可以推广到许多其他形状的冷原子团。

图1 实验真空系统和轴向归一化冷原子密度分布

研究团队用一个长105 cm，直径2cm的真空玻璃管来产生冷原子，如图1的上半部分所示。图1的下半部分展示了在轴向上均匀分布的⁸⁷Rb冷原子样品，其光学厚度大于4，温度约为25μK。首次在实验中实现了米长度尺寸的冷原子系综。与磁光阱和光学粘胶相比，这是一个极大的增长。令人值得注意的是，它的长度可以延伸到千米量级甚至更长，而且它还可以产生二维冷原子。漫反射激光冷却的真空气室原则上可以为任何形状、任何大小，而这种特性只有在漫反射激光冷却中才能实现。

漫反射激光冷却为冷原子的更广泛应用打开了大门。例如，可以构建一个基于冷原子的大面积量子探测器，它可以在大范围内同时感知信号，这将大大提高检测的时间和空间分辨率。漫反射激光冷却在未来的量子传感中具有巨大的潜力，这项工作是激光冷却中性原子的一个重要里程碑。