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，還能夠對原子進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過。我們的工作結合理論和實驗指出：Th–是目前最適合用于實現負離子激光冷卻的體系，有望填補激光冷卻領域的空白。

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，量子效應便會更顯著，更新奇有趣的物理現象便會展現出來。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，人類第一次發現了超導現象。1937年，蘇聯物理學家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，液體的粘度變為了0。這便是著名的氦-4超流現象。

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輻射光子，一個二能級系統的速度得以降低。丨圖片來源：作者繪制

激光冷卻并不是一門新的技術，早在1978年，物理學家就實現了Ba+離子的激光冷卻[2]。1997年，朱棣文因為實現了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)。激光冷卻技術可以說是近幾十年最重要的實驗技術突破，它的出現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，所有原子同時處于同一個量子態上，量子效應得到了極致的體現。在其中光速可以被降至數米每秒。

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構常數測量到小數點后11位，α1 = 137.035 999 206(11)[4]，這構成了對標準模型最精密的檢驗。當然，最直接的應用便是原子鐘，這是GPS等現代高精度系統的基石。

2 激光冷卻負離子：從未實現

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過。

負離子的激光冷卻有兩個直接的用處：研究正反物質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子，再往上貼附反電子。所以一旦我們實現了任何一種負離子的激光冷卻，我們便可以使用協同冷卻技術冷卻反質子，進而制備反氫原子。同樣，我們也可以使用協同冷卻技術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動力學過程，加深我們對于化學反應的理解。

不過，由于缺少合適的體系，負離子激光冷卻的發展受到極大制約。在過去的幾十年里，負離子研究技術不斷提升，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能級的問題。

3 我們的新發現：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]，是一種研究分子結構的新手段。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) 與負離子能級結構。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構，對其進行高精度的理論計算一直是一個難點。因此，我們的實驗結果可以作為很好的評判標準，指導計算方法的發展。

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。我們的實驗結果表明，Th–的EA值遠大于之前理論計算的結果 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–的能級結構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模高精度的理論計算。計算給出了Th–內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”，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，不存在超精細結構劈裂，所以我們只需要一種波長的激光就可以實現激光冷卻了，大大降低了實現難度。

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值模擬確認了使用Th–協同冷卻反質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4F3/2e與激發態2S1/2o之間的電偶極躍遷。丨圖片來源：參考文獻[21]

4 結論與展望

綜上所述，我們的工作表明：Th–是目前最適合實現負離子激光冷卻體系，而且激光冷卻技術實施技術難度較低，適用于協同冷卻反質子和其他負離子。我們工作給負離子的激光冷卻鋪平了道路，有望促進基礎物理和超冷化學等領域的發展。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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[21]R. L. Tang, R. Si, Z. Fei, X. X. Fu, Y. Lu, T. Brage, H. Liu, C. Chen, and C. G. Ning, Phys. Rev. A (submitted).

【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構。同組學生陸禹竹為本文提供了校對工作。