光学基础知识大讲堂

——第9期：激光冷却与冷原子钟

正值中秋佳节，天宫二号成功发射，可喜可贺，而这二天空间冷原子钟也刷爆了微信朋友圈，那么今天我们就来讲讲什么是冷原子钟。
     冷原子钟，顾名思义，冷原子做成的钟（这看起来像一句废话）。好，那要解释这个东西就可以分为二个方面：什么是冷原子？然后如何能成为钟表？

激光冷却

冷原子就是冷却的原子，那如何来冷却原子，用激光（激光的确是个好东西）。在光学基础知识大讲堂第1期：什么是光镊中就提到过，激光与物质相互作用的时候会发生力学效应，我们通常称之为光压。用中学的力学知识分析的话，就是光子具有一定的动量，方向为光的传播方向，如果和原子发生碰撞，那么会把能量传递给原子。举个栗子，一个粒子朝你飞来，那如何让他停下来，自然是对着粒子的传播方向施加一个力，让它减速。好，问题又来了？那我们如何知道这个粒子往哪个方向运动，答案是不知道，因为分子做的是无规则的布朗运动（中学物理知识）。但这不是关键，我们只要能够让它减速就行，不需要知道它具体的运动轨迹，换句话说，它要怎么跑，我就不让它怎么跑。这里插一句，物质的温度来自于本身的热运动，如果原子运动得少了，自然温度就变低了，所以称之为激光冷却。
     关键时刻终于到了，我们如何让光阻止原子的运动。我们都知道，原子有能级的概念，满足一定能量的光子才能被原子吸收，少一点都不行（参考爱因斯坦的光电效应）。这是其一，其二是光的多普勒效应。何谓多普勒效应，举得例子，小明和小红相向运动（对着走），速度都是1m/s，假设小明是粒子，小红是光子，从我们的角度看，光子的速度是1m/s，但是对于粒子来说，光子的速度是2m/s。额，自然这个比喻不怎么恰当，光子的速度永远都是3×10^8 m/s，所以改变的其实是光的波长（即频率），自然改变了频率就是改变了光子的能量。现在，我们把这二者结合起来，让激光发出比原子能级跃迁的能量少一点点（现在的技术确实能做到这一点），那么如果粒子不动，自然不会吸收光子，如果它朝任何一个方向运动，自然让相向而行的激光达到能级跃迁的能量，然后吸收光子（即与这些光子发生碰撞），而同向运动的光子频率降低，光子能量不足以被吸收，从而减慢粒子的运动。

图1 激光冷却原理图（图片来源于网络）

冷原子钟

利用这个方式，我们可以把原子冷却到绝对温度百万分之一度以下，但是绝对达不到绝对零度，就像我们永远也达不到光速一样。额，这不是关键，关键是冷原子跟我们的钟有什么关系？好，那首先还是介绍下原子钟吧。
     根据原子物理学的知识，我们得知不同的原子核周围的电子层是具有不同的能级差，我们也把它叫做特征振动频率或者特征谱线。例如，我们目前采用“秒”时间的定义：铯原子的一个能级跃迁到另一个能级所释放电磁波的9192631770个周期所需要的时间。各位看官看到这里估计还是很懵，我们定义“秒”的时长干嘛？好吧，这问题我就不回答了。其次，我们为啥要把它定义成为铯原子振荡9192631770次的时间长度？恩，这个我可以回答，这是官方规定（其实是这样子定义很精准）。
     抛开上面的问题，我们继续。那我们如何做到？大家都听说过共振这个概念，当二个物体的振动频率越近时，共振强度越高。所以，我们让铯原子经过微波场，然后通过调控微波频率达到共振目的，再通过荧光探测器探测强度。自然，荧光光强最高的点，就是共振频率的点，那么调节到这个点的微波频率就是我们想要的频率（即时间的定义）。

图2 原子钟探测原理（图片来源于网络）

问题又来了，技术上解决了，但是这个过程非常具有技术含量。铯原子在常温下平均速度达到几百米每秒，通过微波腔的时间非常短，极大地限制了锁频的稳定度。所以，激光冷却技术登场了，你不是嫌速度太快吗？激光冷却可以极大地降低铯原子的运动速度。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年，冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年，提高2个数量级。
     最后一个问题，那为啥冷原子钟还要去“天宫二号”实验室？我们都知道，地球是有引力的，如果在外太空的话，引力会大大地降低，自然可以更大程度上降低铯原子运动速度（我们采用的是垂直方向，所以也有喷泉原子钟的说法），增加锁频时间，从而更精确地对准共振频率。预计空间冷原子钟的精度可以再提高一个数量级左右。

图3 铯光子钟（图片来源于网络）