使用激光我們可以將原子冷卻至接近絕對零度。在如此低溫下，物理學家觀察到了新的物態(tài)，還能夠?qū)υ舆M行精密的測量與操控。然而由于缺少合適的體系，負離子的激光冷卻在過去的四十多年里從來沒有被實現(xiàn)過。我們的工作結(jié)合理論和實驗指出：Th–是目前最適合用于實現(xiàn)負離子激光冷卻的體系，有望填補激光冷卻領(lǐng)域的空白。

1 逼近絕對零度

我們知道低溫的極限是約–273.15°C，也就是0 K。液氮能夠幫助我們冷卻到78 K（195 °C），換用液氦則可以達到4 K（–269 °C）。傳統(tǒng)制冷方法的極限來自稀釋制冷機，最低能夠達到約2mK。

追求低溫的過程，是人類拓展物理學邊界的過程。每當我們把溫度降得更低，量子效應(yīng)便會更顯著，更新奇有趣的物理現(xiàn)象便會展現(xiàn)出來。比如，1911年荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes將汞降低至4.2K時，汞的電阻消失了，人類第一次發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。1937年，蘇聯(lián)物理學家Pyotr Kapitsa和加拿大物理學家John F. Allen & Don Misener，將氦-4降低至約2.2K時，液體的粘度變?yōu)榱?。這便是著名的氦-4超流現(xiàn)象。

所以，2mK這個溫度還遠不能滿足我們的好奇心，我們需要尋找實現(xiàn)更低溫度的途徑。

當前人類的低溫記錄是450 pK[1]，也就是比絕對零度高了二十億分之一開爾文。在此溫度下原子幾乎停止了運動，就像被“凍住”了一樣。他們使用的核心技術(shù)便是激光冷卻（圖1），這是物理學家逼近絕對零度的必要手段。

圖1. 激光冷卻原理示意圖。通過不斷地定向吸收光子和隨機自發(fā)輻射光子，一個二能級系統(tǒng)的速度得以降低。丨圖片來源：作者繪制

激光冷卻并不是一門新的技術(shù)，早在1978年，物理學家就實現(xiàn)了Ba+離子的激光冷卻[2]。1997年，朱棣文因為實現(xiàn)了Na原子的激光冷卻[3]獲得了諾貝爾物理學獎。封面圖片便是一團被激光冷卻的Na原子 (圖中間懸浮的光點)。激光冷卻技術(shù)可以說是近幾十年最重要的實驗技術(shù)突破，它的出現(xiàn)直接催生了冷原子這一門學科。

借助激光，在170nK的低溫下，人類第一次制備了Rb原子的波色愛因斯坦凝聚態(tài)，所有原子同時處于同一個量子態(tài)上，量子效應(yīng)得到了極致的體現(xiàn)。在其中光速可以被降至數(shù)米每秒。

一旦制備了超冷原子，我們便能夠以前所未有的精度對其進行操控和測量。比如我們能夠以萬億分之八十一的精度把精細結(jié)構(gòu)常數(shù)測量到小數(shù)點后11位，α1 = 137.035 999 206(11)[4]，這構(gòu)成了對標準模型最精密的檢驗。當然，最直接的應(yīng)用便是原子鐘，這是GPS等現(xiàn)代高精度系統(tǒng)的基石。

2 激光冷卻負離子：從未實現(xiàn)

然而，自1978年至今的42年時間里，負離子的激光冷卻從來沒有被實現(xiàn)過。

負離子的激光冷卻有兩個直接的用處：研究正反物質(zhì)對稱性和研究超冷化學。標準模型沒有告訴我們引力對于正反物質(zhì)是否是等價的。為了檢驗這一點，物理學家選擇制備低溫的反氫原子，將它們在引力場中的運動與正氫原子進行比較[5, 6]。制備低溫反氫原子的一條路徑是制備低溫反質(zhì)子，再往上貼附反電子。所以一旦我們實現(xiàn)了任何一種負離子的激光冷卻，我們便可以使用協(xié)同冷卻技術(shù)冷卻反質(zhì)子，進而制備反氫原子。同樣，我們也可以使用協(xié)同冷卻技術(shù)冷卻任何一種我們想要的負離子，這樣便可以研究極低溫度下的化學反應(yīng)動力學過程，加深我們對于化學反應(yīng)的理解。

不過，由于缺少合適的體系，負離子激光冷卻的發(fā)展受到極大制約。在過去的幾十年里，負離子研究技術(shù)不斷提升，從最開始的LPES[7]，到后來的LPT[8]、LPM [9]。在偌大的一張元素周期表里，物理學家卻只在三個元素的負離子內(nèi)部觀察到了電偶極躍遷：Os– [10], La– [11]和Ce– [12]。然而，這三種負離子都有自己本身的缺陷，要想實現(xiàn)它們的激光冷卻不是一件容易的事情。

需要指出的是，本文提到的負離子都是指原子負離子。激光冷卻負離子的另一條路徑是冷卻分子負離子，比如C2–，但會面臨復雜的振轉(zhuǎn)能級的問題。

3 我們的新發(fā)現(xiàn)：Th–可被激光冷卻

我們課題組的工作便是找到了一個目前最適合用于實現(xiàn)負離子激光冷卻的體系：Th–。

我們使用的方法叫做慢電子速度成像（Slow Electron Velocity–Mapping Imaging, SEVI）。我們使用一束激光脫附負離子，通過測量光子能量和脫附電子的動能研究負離子。這個方法由Neumark在2004年提出[13]，是一種研究分子結(jié)構(gòu)的新手段。我們2016年開始將它引入到原子負離子的研究當中[14]。2018年我們搭建完成了二代低溫負離子光電子能譜儀[15]，加入了低溫離子阱，所以該方法也同樣適用于研究分子。

這種方法兼具超高能量分辨率與適用范圍廣泛的特點。光電子動能越低，它的能量分辨率越高，典型的能量分辨率為0.1 meV [16]。原則上，這種方法對于任何負離子體系都適用。我們使用SEVI方法，測量了大部分過渡族元素和部分鑭系、錒系元素的電子親和勢(Electron Affinity, EA) 與負離子能級結(jié)構(gòu)。圖2中有顏色的元素都是我們課題組測量的。我們將這些元素的電子親和勢精度提高了10 - 400倍，其中Re [17], Hf [18], U等元素的EA值是第一次在實驗上被測量。過渡族元素由于其復雜的電子結(jié)構(gòu)，對其進行高精度的理論計算一直是一個難點。因此，我們的實驗結(jié)果可以作為很好的評判標準，指導計算方法的發(fā)展。

圖2. 使用SEVI方法研究負離子的元素。丨圖片來源：作者繪制

圖3是我們采集到的Th–的光電子能譜[19]。我們測定出 EA = 607.690(60) meV。這引起了我們的興趣。前人初步的理論計算指出Th– 內(nèi)存在奇偶兩種宇稱的能級序列[20]，但因為計算出的EA太低，電偶極躍遷速率太慢，而把Th– 排除于激光冷卻的候選體之外。我們的實驗結(jié)果表明，Th–的EA值遠大于之前理論計算的結(jié)果 368 meV[20]。所以，事實上Th–是有希望可以被用于激光冷卻的。

圖3. 我們采集到的Th–的光電子能譜。插圖是光電子圖像。箭頭指示激光偏振方向。丨圖片來源：參考文獻[19]

為了檢驗Th–的能級結(jié)構(gòu)是否滿足激光冷卻的嚴苛要求，我們的合作者——復旦大學的陳重陽教授課題組進行了大規(guī)模高精度的理論計算。計算給出了Th–內(nèi)奇偶宇稱各個能級的位置，并且確認了存在“閉合快速的電偶極躍遷循環(huán)”，是可以用于激光冷卻的。更有意思的是，考慮到232Th核自旋為0，不存在超精細結(jié)構(gòu)劈裂，所以我們只需要一種波長的激光就可以實現(xiàn)激光冷卻了，大大降低了實現(xiàn)難度。

理論計算給了我們希望。我們很快改進儀器，通過雙光子共振脫附的方法，在實驗上第一次觀測到了這個電偶極躍遷的存在（圖4中T1），并且測定了其能量：123.455(30) THz[21]。我們又通過理論計算和數(shù)值模擬確認了使用Th–協(xié)同冷卻反質(zhì)子是具有實用價值的。

圖4. 使用雙光子共振脫附的方法掃描出的三個共振峰。T1為用于激光冷卻的基態(tài)4F3/2e與激發(fā)態(tài)2S1/2o之間的電偶極躍遷。丨圖片來源：參考文獻[21]

4 結(jié)論與展望

綜上所述，我們的工作表明：Th–是目前最適合實現(xiàn)負離子激光冷卻體系，而且激光冷卻技術(shù)實施技術(shù)難度較低，適用于協(xié)同冷卻反質(zhì)子和其他負離子。我們工作給負離子的激光冷卻鋪平了道路，有望促進基礎(chǔ)物理和超冷化學等領(lǐng)域的發(fā)展。接下來，我們將逐步有序推進負離子激光冷卻的工作。

參考文獻

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【作者簡介】

唐如麟，清華大學物理系16級博士生，導師為寧傳剛教授。主要研究方向為原子負離子能級結(jié)構(gòu)。同組學生陸禹竹為本文提供了校對工作。