原子的英文名（Atom）是從希臘語（atoms，“不可切分的”）轉(zhuǎn)化而來，其定義為化學(xué)變化中不可分割的最小單元。通常一個原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間。對于這樣一種比頭發(fā)絲直徑還小幾千幾萬倍的物體，甚至連世界上最精密的光學(xué)顯微鏡都無法直接觀測，我們可以把它抓住，任意地操縱它嗎？

　　
連量子力學(xué)的奠基人之一，偉大的物理學(xué)家薛定諤都對此表示極大的懷疑：“我們從來沒有用一個電子、原子或者其他分子做過實驗。在構(gòu)想的實驗中，我們的假設(shè)總是導(dǎo)致可笑的后果……”。

　　
但伴隨著科技的發(fā)展和進步，在六十年前不可想象的實驗，現(xiàn)在不僅在實驗上實現(xiàn)了單個電子、單個離子、單個原子等的囚禁和操控，而且其相關(guān)的實驗技術(shù)已經(jīng)在世界各地實驗室得廣泛應(yīng)用。

　　
其中2012年諾貝爾物理學(xué)獎還授予塞爾日?阿羅什和大衛(wèi)?維因蘭德，以表彰他們分別獨立發(fā)明并拓展了在保持單個粒子量子力學(xué)特性的前提下，測量和操縱它們的方法。

　　
那么在這些單粒子中，單個原子到底是如何被捕獲？又如何讓這些單原子按照我們的意愿去行動呢？

　　捕獲單原子的兩種方式

　　
一是采用掃描隧道顯微鏡（STM）或原子力顯微鏡等在固體表面捕獲并操縱單個原子。

　　
典型的工作是由IBM的科學(xué)家在二十世紀九十年代完成的，他們采用STM移動吸附在金屬表面的原子來排列成各種形狀，尤其是用48個鐵原子在銅表面形成半徑為7.13納米的量子空心圍欄，并觀察到囚禁表面態(tài)電子形成的駐波。

　　
這種方案主要用于研究表面電子與原子的相互作用、無缺陷表面電子波衰減、電子與聲子激子相互作用等。

　　
另一種方法則是采用激光冷卻并捕獲氣相中的單個原子。

　　
典型的工作是在超高真空中采用磁光阱將原子冷卻到接近絕對零度（其典型溫度在絕對零度之上的萬分之一度）并囚禁，然后采用一個非常小的光阱，從中“挑”出一個原子。

　　
在這種情況下，一個原子幾乎從環(huán)境中孤立出來，是一個典型的量子體系，它將會展現(xiàn)出一系列匪夷所思的特性，如既是波又是粒子的波粒二象性（單原子物質(zhì)波），既死又活的薛定諤貓態(tài)（單原子電子疊加態(tài)）、現(xiàn)在所走的路徑取決于未來的選擇（單原子的惠勒延遲選擇實驗）等。

　　
為了觀察到這些奇特的現(xiàn)象，我們需要將室溫下的原子冷卻到極低溫的狀態(tài)，意味著將原子的速度從幾百米每秒降到幾米甚至幾厘米每秒。

　　
如何實現(xiàn)呢？ 1997年諾貝爾物理學(xué)獎的得主們說，用激光！

　　原子冷卻及單原子捕獲

　　
在介紹激光冷卻的原理之前，大家需要先了解兩條基本的規(guī)則：

　　1。原子會吸收頻率與其能級固有頻率共振的光子，越共振越容易吸收。

　　2。多普勒效應(yīng)。原子逆著光傳播方向運動時，感受到的激光頻率會變大，反之感受到激光頻率則變小。

　　
當原子在頻率略低于其能級固有頻率且相向傳播的一對激光束中運動時，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與其運動方向相反的光子，吸收后，再向各個方向各向同性地自發(fā)輻射出光子。

　　
平均來說，激光對原子的作用就是產(chǎn)生一個與原子運動方向相反的阻尼力，從而使原子向前的速度越來越慢。只要在空間加上三對互相對射的激光束，那在三維空間六個方向上原子的速度都會被減慢下來。

　　
這就是斯坦福大學(xué)的朱棣文當時用于冷卻原子的“光學(xué)糖漿（Optical molasses）”，意指原子在里面就像小蟲子飛到糖漿里一樣寸步難行。

圖中演示了速度為 的原子與動量為 的光子相遇后，吸收光子后速度減小了  ，然后各向同性釋放光子后原子的總速度比最初降低了?！　D中演示了速度為 的原子與動量為 的光子相遇后，吸收光子后速度減小了 ，然后各向同性釋放光子后原子的總速度比最初降低了。


是實驗室拍到的三對激光形成的光學(xué)糖漿。是實驗室拍到的三對激光形成的光學(xué)糖漿。

但這樣的“光學(xué)糖漿”只能將原子減速冷卻下來，并不能捕獲原子。
要想抓住單個原子，需要好幾種技術(shù)的配合。

　　
首先是將原子囚禁在由特定梯度磁場與偏振激光相結(jié)合的磁光阱中。但這種磁光阱中囚禁下來的原子數(shù)目比較多，可以達到1010（和全世界人口差不多），溫度在100微開左右（就比絕對零度高萬分之一度）。

　　
對于單原子研究來說，這么多原子實在是太多了，怎樣才能做到“弱水三千，只取一瓢”的境界呢？

　　
有一種很簡單的方法：做一個超級小的阱，小到僅能容納一個原子。法國科學(xué)家在2001年將一束遠紅失諧的激光聚焦到焦點半徑小于1微米時，在焦點處就形成了一個這樣的光偶極阱。

　　
把這樣一個阱放到磁光阱中后，科學(xué)家就像挖了陷阱的獵人一樣等待：當有一個原子掉到光阱中時，磁光阱立刻關(guān)閉，停止向光阱中繼續(xù)裝原子，這樣就完成了單原子的捕獲；萬一有兩個及以上的原子同時掉到光阱中，由于各種輻射逃逸及碰撞損失機制，會讓這些原子以“迅雷不及掩耳之勢”從阱中會逃走，快到我們都無法反應(yīng)。通過這樣簡單而有效的機制，我們就可以捕獲到單個原子，并進一步研究它的相關(guān)性質(zhì)了。

單原子光偶極阱示意圖及阱中單原子信號單原子光偶極阱示意圖及阱中單原子信號
既“死”又“活”的單原子

　　
著名的“薛定諤貓”把微觀放射源所處的量子疊加態(tài)巧妙地與宏觀的貓聯(lián)系起來，形成了反直覺的既“死”又“活”的貓。

　　
而這種令人迷惑且吃驚的量子疊加態(tài)所引起的爭論至今還沒有平息，其中最著名當屬愛因斯坦的“上帝永遠不會擲骰子”。對于單個原子來說，實際情況到底如何，我們來看看實驗的結(jié)果如何。

　　
圖3顯示了我們用上面的方法抓住一個單原子后，用拉曼光把原子制備到自旋向上和向下的疊加態(tài)，再探測原子處于自旋向上還是向下的狀態(tài)。

　　
如果把電子自旋向上定義為“活”的單原子，電子自旋向下定義為“死”的單原子，那么我們可以看到在測量之前，永遠無法預(yù)測這次測量時原子的狀態(tài)是“死”還是“活”，這是一個量子隨機的結(jié)果。隨著測量次數(shù)的增多，“活”和“死”的原子數(shù)目比越來越接近1：1（因為我們制備的單原子疊加態(tài)波函數(shù)是 ，這樣探測到原子“活著”和“死了”的概率各一半。
 

探測既“死”又“活”的原子，原子的狀態(tài)是量子隨機的，測量次數(shù)越多，比值越接近1：1。探測既“死”又“活”的原子，原子的狀態(tài)是量子隨機的，測量次數(shù)越多，比值越接近1：1。

這種量子疊加態(tài)對于微觀粒子來說實在是再平常不過的狀態(tài)，而這恰恰是統(tǒng)治微觀世界的量子力學(xué)的核心秘密之一和魅力所在。在單原子體系上，目前科學(xué)家已經(jīng)使最多2個原子達到“薛定諤貓”態(tài)。但如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達到這種狀態(tài)并保存更長時間，已成為實驗物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)，這種狀態(tài)不僅具有理論研究意義，也有實際應(yīng)用的潛力。比如，制成容錯量子計算機的基本量子比特，可以用來制造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。

　　單原子是波還是粒子

　　
我們知道光既可表現(xiàn)出粒子的形式，又可呈現(xiàn)出波動特征，這取決于實驗測量方法：對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動；對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。而對于原子這樣一個有質(zhì)量的物體，我們理所當然地認為它就是粒子，但是法國物理學(xué)家德布羅意告訴我們：不止光子，一切微觀粒子，都具有波粒二象性。對于單原子，其波動性表現(xiàn)為概率波，即原子在空間某點某時刻出現(xiàn)的概率大小是受波動規(guī)律支配的。這該如何理解呢？我們還是通過一個實驗來說明這個問題。

 

Mach-Zehnder型干涉儀的原理圖Mach-Zehnder型干涉儀的原理圖

圖4中是一個典型Mach-Zehner型原子干涉儀的原理圖，我們用單個原子去完成這個實驗，通過事先設(shè)計好的一系列脈沖序列，將單原子先分束再合束，最后進行測量。

　　
由于我們每次只用一個原子，當只做一兩次這樣的實驗時，結(jié)果完全沒有任何規(guī)律，單原子粒子性得到完美表現(xiàn)，但重復(fù)次數(shù)達到10次以上后，干涉條紋漸漸浮現(xiàn)出來，這就是單原子波動性的表現(xiàn)。雖然感覺難以相信，但這就是真實的實驗結(jié)果。這樣的單原子干涉儀將來可以用作微小范圍內(nèi)加速度的測量和微小力的測量。目前科學(xué)家已經(jīng)利用單原子干涉儀感應(yīng)到小到10-27牛頓的力。

單原子干涉條紋的浮現(xiàn)單原子干涉條紋的浮現(xiàn)

兩個原子會怎樣

　　
對于自然界的認識，人們總希望從簡單到復(fù)雜，從一個到多個去理解、去認識，正如老子《道德經(jīng)》中所說“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。我們從一個原子入手也是抱著同樣的期望，因為這樣的系統(tǒng)更為純粹、更為簡單、更易于建模理解并計算。下面的工作充分體現(xiàn)了我們單原子操作的優(yōu)勢。

　　
大家都知道，原子之間的碰撞是原子氣體中普遍存在的相互作用，即使在通過激光冷卻與囚禁得到的冷原子團中，碰撞問題仍備受關(guān)注。無論是制備超冷量子氣體的蒸發(fā)冷卻過程、冷原子形成分子的超冷化學(xué)過程，還是基于碰撞的量子信息與量子模擬中量子態(tài)的相干制備和消相干過程，都離不開對原子之間的彈性、非彈性碰撞甚至是反應(yīng)性碰撞的認識。

　　
然而，在一個含有成千上萬個原子的多組分冷原子團中，原子數(shù)目的不確定性和同組分原子之間的碰撞等因素，導(dǎo)致了碰撞截面測量的不準確。

　　
假如我們在光阱中只放一個銣-87原子和一個銣-85原子呢？能級下的碰撞損失速率。

　　
實驗中，通過精確控制實驗參數(shù)，我們獲得了銣-85和銣-87原子基態(tài)碰撞損失速率目前最為精確的數(shù)據(jù)，而且結(jié)果與法國國家科學(xué)研究院的G.V.Shlyapnikov教授、意大利特蘭托大學(xué)的D.J.Papoular博士采用耦合通道理論計算的結(jié)果相吻合（更詳細結(jié)果請參考Nature Communications 6，7803（2015））。

兩個異核原子在光阱中碰撞損失的示意圖兩個異核原子在光阱中碰撞損失的示意圖

這樣的單原子間的碰撞研究可以很容易地擴展到其他原子，并且在這樣的“超級純凈”的碰撞反應(yīng)平臺上，未來還可以研究單原子與單分子的碰撞、異核原子的相干碰撞等等，在粒子數(shù)目確定的化學(xué)反應(yīng)的研究以及基于原子的量子信息處理和量子模擬研究方面都有重要價值。

　　展望

　　
基于原子冷卻與俘獲的單原子制備及其量子調(diào)控，促進了人類對量子力學(xué)本質(zhì)及物質(zhì)運動狀態(tài)的更深入、更徹底的了解，不僅是對現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的一種挑戰(zhàn)和超越，而且已成為量子光學(xué)和冷原子物理領(lǐng)域的一個交叉熱點。

　
正如詹明生研究員在“2015國際光年專題”上所展望的：“激光操控的單原子與單原子陣列將為量子信息處理與量子模擬提供獨特的物理平臺。單原子與原子芯片技術(shù)結(jié)合將會使原子這個單純而且理想的量子體系良好的量子擴展性與芯片的經(jīng)典擴展性結(jié)合起來，可能形成一種有前景的量子計算機芯片級處理器。光阱中的原子體系是對如Hubbard模型等進行量子模擬的理想體系，相互作用可控的單原子陣列不僅對多比特量子計算重要，也是量子模擬研究十分期待的。單體、兩體再到三體（少體）物理，單原子動力學(xué)，量子體系的經(jīng)典對應(yīng)，人工光合作用優(yōu)化，表面Casimir—Polder力的精密測量、量子關(guān)聯(lián)測量等，都可成為單原子用武之地。”