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從激光冷卻到玻色–愛因斯坦凝聚：科學家們是如何打破低溫界限的？
在凝聚態物理學中，超冷原子是指接近絕對零度的原子。當溫度降至如此低時，原子的量子力學特性開始變得重要。達到這樣的低溫通常需要結合多種技術，首先通過激光冷卻在磁光陷阱中捕獲和預冷原子。為了達到可能的最低溫度，隨後在磁場或光學陷阱中進行蒸發冷卻。
諾貝爾物理學獎多次與操控單個原子的量子特性技術的發展相關，涉及1996、1997、2001、2005、2012和2018年等多個獎項。
實驗中使用的超冷原子可研究各種現象，包括量子相變、玻色–愛因斯坦凝聚（BEC）、玻色超流、量子磁性、許多體自旋動力學、艾菲莫夫態（Efimov states）、巴丁–庫珀–施里弗（BCS）超流，以及BEC–BCS交叉等。一些研究方向還利用超冷原子系統作為量子模擬器，來研究其他系統的物理性質，例如單元子氣體及伊辛模型和哈伯德模型的行為。另外，超冷原子也可能用於實現量子計算機。
歷史背景
超冷原子的樣本通常通過稀薄氣體與激光場的相互作用來準備。早在1901年，列別捷夫（Lebedev）及尼科爾斯和霍爾（Nichols and Hull）就獨立證明了光對原子的輻射壓力效應。1933年，奧托·弗里施（Otto Frisch）展示了由鈉燈產生的光對個別鈉粒子產生的偏轉。激光的發明促進了利用光操控原子技術的發展。1975年，科學家首次提出利用多普勒效應使與原子速度相關的輻射力進行冷卻的方法，即多普勒冷卻。
應用三維多普勒冷卻後，原子可減速至每秒幾厘米的速度，產生所謂的光學漿。通常，這些實驗的中性原子來源為熱爐，它們的工作溫度可達幾百開爾文，從這些爐內的原子以每秒數百米的速度運動。多普勒冷卻的一大技術挑戰在於增加原子與激光光互動的時間，這一挑戰通過引入Zeeman慢冷裝置得以克服。Zeeman慢冷裝置利用空間可變的磁場，保持涉及多普勒冷卻的原子過渡的相對能量間隔，從而增加原子與激光光交互的時間。
1987年，由Raab等人所發展的第一個磁光陷阱（MOT）標誌著超冷原子樣本製備向前邁進了一大步。MOT的典型溫度在數十到數百微開爾文。磁光陷阱通過施加磁場來空間上限制原子，並使激光不僅力量依賴於速度，還會施以空間變化的力量。1997年，諾貝爾物理學獎由史蒂芬·朱（Steven Chu）、克勞德·科恩-塔納烏季（Claude Cohen-Tannoudji）及威廉·D·菲利普斯（William D. Phillips）獲得，以表彰他們在激光冷卻和捕獲原子的方法上的貢獻。
為了探索由薩蒂延德拉·那特·玻色（Satyendra Nath Bose）和阿爾伯特·愛因斯坦所預測的新物質狀態，蒸發冷卻技術被運用，以通過讓樣本中最熱的原子逃逸來降低樣本的平均溫度。2001年，埃里克·A·科奈爾（Eric A. Cornell）、沃爾夫岡·凱特勒（Wolfgang Ketterle）和卡爾·E·維曼（Carl E. Wieman）因在稀薄氣體的玻色–愛因斯坦凝聚上的重要成就而獲得諾貝爾獎。
應用前景
超冷原子因其獨特的量子特性及實驗控制的潛力而有著多樣的應用。這些原子被認為是量子計算和量子模擬的重要平台，伴隨著活躍的實驗研究以實現這些目標。在凝聚態物理的背景下，量子模擬令人興奮，因其可能為相互作用的量子系統的性質提供有價值的見解。超冷原子被用作模擬任何感興趣的凝聚態系統，透過可用工具的實驗探索那些在實際的凝聚態系統中難以獲得的量量。此外，超冷原子甚至能創造出某些自然界中不會觀察到的奇特物質狀態。
所有原子都是相同的，這使得原子集合成為理想的通用計時工具。1967年，第二的SI定義改為以銫原子中的超精細能級躍遷頻率為準。基於鹼土金屬原子或鹼土模擬離子的原子鐘已經開發，這些原子使得光學躍遷的狹帶線特性成為可能。為了實現高數量的非相互作用原子，以提高這些計時器的精度，中性原子可在光學晶格中捕獲，而離子陷阱則能提供長時間的檢測。
超冷原子還能在通過低熱噪聲和在某些情況下利用量子力學超越標準量子極限的範疇中，進行精密測量的實驗。除了潛在的技術應用，這些精密測量還可以檢驗我們目前對物理學的理解。
未來，面對前所未有的低溫技術，我們應該思考：“這些超冷原子能為我們理解宇宙的本質提供怎樣的啟示？”
