1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

第一篇：1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

1989年诺贝尔物理学奖的一半授予美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的拉姆齐（Norman F.Ramscy，1915—），以表彰他发明了分离振荡场方法及用之于氢微波激射器及其它原子钟；另一半授予美国西雅图市华盛顿大学的德默尔特（Hans G.Dehmelt，1922—）与德国波恩大学的保罗（Wolfgang Paul，1913—1993），以表彰他们发展了离子捕集技术。

1989年三位诺贝尔物理学奖获得者都是在原子物理实验技术方面作出过杰出贡献的物理学家，他们创造性地发展了精确的计量方法，大大改进了实验的技术条件，使许多以前无法进行的实验得以实现，并达到前所未有的精确程度。由于他们的工作，科学界有可能对一些基本物理定律进行更深入的检验，从而提高了人类认识物质世界的能力。

拉姆齐在1950年提出分离振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，创制了铯原子钟。1960年又提出并建造了原子氢微波激射器。也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到1×10-12。保罗1951年设计了由六个磁极构成的聚焦磁场，可以使中性分子聚集，对分子束研究极为有用。后来他又设计了一种射频四极电场，能够把带电粒子囚禁在电场中，这一电场就相当于一个捕捉粒子的陷阱。这项工作成为以后带电粒子存储技术的先驱。德默尔特1958年就开始研究用电磁场形成的陷阱把电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的实验方法。他和合作者不断改进实验原理和实验装置，历经二、三十年，终于在80年代取得了重大成果。他设计的离子陷阱实验装置，可以把单个自由电子长期地（几天或几周，甚至更长）存储在所谓的彭宁（Penning）陷阱里，让它作受迫运动，并不断从电子的运动提取有关电子特性的各种讯息。他的小组测到的电子g因子，比别的方法精确得多，达到了十三位数字，是基本物理常数中最精确的一个。

值得一指的是，这三位杰出的物理学家，他们的工作都与原子束方法有渊源关系，都曾长期在这个领域作过许多工作，有所发现和发明。德默尔特早在1949年就因受到核磁共振发现的激励，发现了核四极共振（简称NQR）。拉姆齐在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下，1940年第一个对分子的旋转磁矩进行过精确测量，并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系。这时他还不过是正在做博士论文的研究生，显示出了惊人的才干。后来他受聘留在哥伦比亚大学任教，并从事研究原子束共振。1947年转哈佛大学，在那里他发明了铯原子钟。

说起铯原子钟的发明，这里有一段引人深思的轶事。

早在1940年，拉比就预料到铯133的超精细结构有可能作为频率测量的基准。拉姆齐记得当时在拉比小组中就讨论过这个问题。他们打算用这一跃迁测引力红移①条件尚未成熟，这一建议只好束之高阁。第二次世界大战中由于雷达的广泛应用，微波电子学有了长足发展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，263 1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

用原子钟来计时的日程已经不远了。

原子束实验装置素以结构复杂，设备庞大著称，因为它既需加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射、聚焦、选态、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是使物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，这使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率测量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。

拉姆齐和大家一样，也在为这个问题作各种探讨。他当时正在哈佛大学上物理光学课，正当他百思不得其解之际，迈克耳孙的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的办法。迈克耳孙的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项工作，他在加州威耳逊山天文台的 100英寸（2.54 m）天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6m，利用两翼的光束互相干涉，用以测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，从而第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直无法解决的问题。相距6m的反射镜相当于把望远镜的口径加大为6m，实际上即使做成这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳孙的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学课时当然会碰到这个问题。

拉姆齐想，可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过推算，证明在振荡场两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同位相，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。

这一设计思想立即使铯原子钟的制造获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准局问世，频率宽度比原来的方法小了10倍。接着，英国的国家物理实验所也于1955年得到了精确的结果，三年后他们发表的结果是：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为 9192.631770MHz。这一频率后来在1967年被第13届国际计量大会正式被用来定义时间的基准。

如果说铯原子钟为科学的发展提供了精确的计量标准，那么离子陷阱实验方法就为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径。

所谓离子陷阱是一个专用名词。它的主体是三个电极组成的电场区（图89-1），中间是一双曲旋转面电极（称环电极），上下各有一罩电极，也呈双曲旋转面形。在环电极与罩电极间加 10V左右的直流电压，中间形成四极电场区。再在沿轴线方向加一均匀磁场，于是就形成一个可以囚禁电子的陷阱。再在下电极加一射频驱动电压，使电子作受迫轴向振荡。电子在磁场中还要作回旋加速器运动和磁控管运动，这些运动的频率可以经上电极的谐振电路检测（图89-2）。

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电子被隔绝在电极和磁体所控制的陷阱里，都安置于地球上，与地球构成一个整体，就好像电子是被地球束缚住了似的，于是德默尔特最初给它起了一个代号叫地球素（geonium），实际上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸极其精巧，环电极的最小直径仅为0.325 cm，整套装置封在真空度达到10-12Pa的真空管内，插入超导线圈，并一起浸于液氦之中。超导线圈产生的磁场强达5T，环境温度大约4K。在这样低的温度下，电子的状态只能用量子化的能级来描述。可以说，它是在最低的几个能级上跃迁，同时不断地改变自旋取向，能级跃迁和自旋反转都可经轴向感生电压的频率变化反映出来。

经过复杂的检测，可以从自旋运动的频率ν与回旋加速器频率νC之比求出电子的g因子，1984年，德梅尔特小组测量的结果是：

g因子是表征电子或其它微观粒子特性的重要参数，把这个参数测量得如此之精确，对认识物质世界规律有十分重要的意义。

首先，可以通过量子电动力学计算精细结构常数α，根据1984年的测量结果，德默尔特小组计算得

α-1＝137.035 994 2（5）（89）其中第一项误差来自实验，第二项误差来自理论计算，他们得到的α值比别的方法精确好几倍。

其次，如果把从g因子计算出的α值跟其它方法得到的α值比较，就可以对量子电动力学理论进行检验。这个比较一直在进行，可以说，不同途径得到的α值高度符合，证明了量子电动力学的正确性。

还有，比较不同的微观粒子的g因子，可以检验某些重要的物理规律。例如，1987年德默尔特小组测量出正电子的g因子为：

用同一方法测得负电子g因子为：

两者相比，得：

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这不能说不是对CPT定理最严格的一次检验！

离子陷阱实验方法还可用于质子和重离子。经过补偿的彭宁陷阱可以当作高分辨率的质谱仪测量电子和质子的质量比，其精确度超过以往的任何方法，1986年德默尔特小组的成员戴克（R.S.Van Dyck）等人测得：mp/me＝1836.152 701（37），不确定度仅为2×10-8。

用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学价值，多少年来，人们研究电子及其它粒子，对它们有了许多了解，但是过去做的许多实验，都无法排除电子之间和电子与外界之间的相互作用，因此人们对电子的知识都是统计性的。地球素实验第一次突破这一局限，可以把电子和其它粒子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手段。作为这一方法的创始人和推动上述研究的带头人，德默尔特的贡献值得倍加推崇。

拉姆齐1915年8月27日出生于美国华盛顿特区，母亲是德国移民，曾是大学数学教师，父亲是西点军校毕业生，当过美军军官。由于父亲工作没有固定地点，他小时常随家周游世界，学习不按常规，基本上靠自学，居然在15岁上以优异成绩从高中毕业。

拉姆齐早年对科学的兴趣是由阅读一篇关于原子的量子理论而激发的。当时他并不认为物理可作为自己的职业。父母曾指望他步父亲的后尘去西点学军事，可是当时他还太小，于是就申请了一项奖学金到堪萨斯大学哥伦比亚学院上学，专业是数学。由于他每年都获得竞赛优胜奖，在高年级时竟得到了只有研究生才能从事的教学助理的荣誉。1935年拉姆齐从哥伦比亚大学毕业。由于兴趣转向，逐攻读物理。

接着。拉姆齐又得奖学金到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习。这里群英汇集，他第一次接触到分子束方法，后来又回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文，正好拉比发明了分子束磁共振方法，使他认识到这是一种很有潜力的新途径。幸运地，就在当研究生期间，他和库什（Kusch）等人，共享了发现氘核四极矩的荣誉。

第二次世界大战期间，拉姆齐领导了3cm波长雷达的试制小组，还到华盛顿当军事主管部门的雷达顾问，并于1943年参加过曼哈顿计划。

战争结束后，拉姆齐回到哥伦比亚大学当了教授，在拉比的领导下恢复分子束实验室，并带领研究生测量一系列的核磁数据，还积极筹备布鲁克海文国家实验室，1946年拉姆齐成了该实验室的物理部第一届主任。

1947年拉姆齐转到哈佛大学，在那里一直工作了40年，建立分子束实验室，以便精确地进行磁共振实验。当时遇到的主要困难是没有足够均匀的磁场。这促使他发明了分离振荡场方法。分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立奠定了基础，还使他们有可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋、核磁矩和电四极矩，分子旋转磁矩、自旋-旋转相互作用、分子中电子的分布等等。

进入90年代，拉姆齐还在进行分子束和中子束研究。他主持建设哈佛回旋

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加速器实验室，并用这台加速器进行质子-质子散射研究。

拉姆齐虽然基本上是一位实验物理学家，但他对理论也十分喜爱，曾经建立核磁共振化学位移理论、分子核的相互作用的理论和负绝对温度下的热力学和统计物理学的理论。

拉姆齐已于1986年从哈佛大学退休，但他现在仍活跃在物理学界，与各大学及中心实验室建立有广泛的联系。

德默尔特1922年9月9日出生于德国的哥利兹（Gorlitz），父亲曾在柏林大学学习过法律。第一次世界大战中当过炮兵军官。1940年，德默尔特中学毕业后，应召入伍。1943年在柏林郊区当过高射炮兵。1943年-1944年出于军事需要，被送往布雷斯劳（Breslau）工业大学学习物理，后来又回到部队参加迫击炮团。1945年初被美军俘虏，次年释放后进格丁根大学学习。1948年及1950年分别获学士学位和博士学位。1950年-1952年在格丁根大学当博士后。1955年到美国，1956年成为西雅图华盛顿大学的助理教授，1961年升正教授，1978年被选为美国科学院院士。

保罗1913年8月10日出生于德国萨克森州洛仑兹基希（Lorenzkirch）的一个农村里，父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授，所以保罗小时候在慕尼黑受过良好教育，并很熟悉化学实验室里科学家是如何工作的。可惜其父在他15岁时就去世了。他厌烦中学偏重拉丁文和古希腊文的教学方式，决心成为物理学家。他接受他父亲好友索末菲的建议，先当了精密机械工艺的学徒。1932年秋，进入慕尼黑工业大学学习。他听到名师讲物理课，丰富的表演实验激起了他对物理学的兴趣。两年后保罗转到柏林工业大学学习，在那里很幸运地遇到了一位物理教授，对他像慈父一般地关怀，这位教授正工作于超精细光谱学和磁矩领域。保罗和他一起工作了16年，另外还有一位理论物理学家贝克尔（Becker），对他也有深刻影响，不仅在科学方面，甚至于他的思想，包括待人接物和政治态度。

1937年保罗转到基尔（Kiel）大学读博士学位。论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩。他利用原子光源以减小多普勒效应。正当要做实验时，却被应征入伍，不久就爆发了世界大战。所幸后来请到了假，完成了博士考试。1940年，保罗脱离军队，回到导师身边继续做科学研究，从事的是质谱学和同位素分离。后来还与医学系的同事合作，做放射生物学和电子癌症治疗工作。

① 测量引力红移，可以验证广义相对论，从广义相对论可以得出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光的谱线，会向光谱的红端移动，这就是所谓的谱线引力量移效应。

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第二篇：2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？

2018诺贝尔物理学奖评论：啁啾脉冲放大技术为什么这么重要？

2018年10月2日下午，有着近300年历史的皇家瑞典科学院揭晓了2018年诺贝尔物理学奖。获奖的三位科学家在激光物理领域取得了开创性发明。奖项的一半授予美国贝尔实验室的Arthur Ashkin，表彰他所发明的光镊技术，并将此技术应用于生物体系。另一半被法国籍科学家Gérard Mourou（法国巴黎综合理工学院教授、美国密歇根大学名誉教授）和他的学生Donna Strickland（加拿大滑铁卢大学副教授）所分享。他们提出的啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是现在产生超强超短脉冲激光的独创性方法。

这里，我们来聊一聊产生超强超短激光脉冲的啁啾（zhōu jiū）脉冲放大技术。自1960年美国加州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了第一束激光以来，激光技术早已融入日常生活。无论是老师上课时手持的激光笔，还是耗资数十亿欧元、长度超过3公里的欧洲自由电子激光装置，各种激光器遍及工业、通讯、科学及娱乐领域。激光物理中定义的超短脉冲是指时间尺度小于皮秒量级（1 ps = 10-12 s）的电磁脉冲。照相机所使用的闪光灯，闪一次的时间大约是百分之一秒（0.01 s）。如今超短激光脉冲的闪亮时间早已达到飞秒（1 fs = 10-15 s），甚至阿秒（1 as = 10-18 s = 0.***001s）量级。众所周知，功率的单位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。当激光脉冲的能量越大，激光脉冲的时间尺度越短，对应的峰值功率就越大（即增大分子，缩小分母）。为了获得极高的峰值功率，科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度，同时还需不断放大激光脉冲的能量。超强超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。在啁啾脉冲放大技术出现之前，科学家通过调Q（Q-switching）和锁模（Mode-locking）等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒（1 ms = 10-3 s）量级提高到纳秒（1 ns = 10-9 s）、皮秒（1 ps = 10-12 s）量级。在啁啾脉冲放大技术之后出现的克尔透镜锁模（Kerr-Lens Mode-Locking，KLM）技术，甚至将激光脉冲的时间尺度直接压缩到了飞秒量级，所对应的峰值功率也得到了一定的提高。但是，直接放大激光脉冲的能量，进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈。因为直接放大过程中，激光脉冲的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面积）极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件（其效果类似于用放大镜把太阳光聚焦到报纸上的一个小点，很容易就能将其点燃烧毁）。其次，直接放大的激光脉冲时间尺度太短，不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。

图1 激光聚焦功率密度的发展历程

如图1，在CPA技术出现之前，激光功率密度经历了近20年的平台区之后突飞猛进。为了避免激光脉冲放大过程中过高的峰值功率密度超过放大增益介质所能承受的破坏阈值，之前最简单粗暴的方法就是扩大增益介质口径和聚焦光斑的面积。遗憾的是，这一方案很容易受到增益介质和光学元器件实际尺寸的限制。简单计算一下就知道，假设现有的超大激光晶体直径为1米，为了增加1万倍的激光聚焦功率密度，我们就需要把原有的激光晶体直径从1米增加到100米（面积增加1万倍），并且相关的光学元器件的尺寸都需要有百倍提升。

如果需要增加1亿倍的激光聚焦功率密度，就需要直径接近1万米的光学元器件。啁啾脉冲放大技术让激光聚焦功率密度直接提升了接近10个数量级，相当于1千公里长的超大晶体（从北京到上海也就这么长）。不知道漫画英雄蚁人是否有过类似的感受。同时，如此巨大的面积带来能量密度的减少，更不利于吸收增益介质储存能量。

1985年，随着啁啾脉冲放大技术的出现，激光聚焦功率密度实现飞跃式的提升。从CPA的基本原理图（图2）可见，整个系统大致分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器。其关键是：

在直接输入放大器之前，先利用展宽器对振荡器输出的超短飞秒（皮秒）脉冲引入一定的色散，将脉冲宽度在时域上展宽约百万倍，至百皮秒甚至纳秒量级；这样不仅极大降低了峰值功率，而且保证了单位面积上的能量密度；

然后在放大器中进行放大，这样既降低了相关元件损伤的风险，还避免了增益饱和等许多不利的非线性效应，有利于高效吸收增益介质储存能量；

等获得较高的能量以后，再通过压缩器补偿色散，将脉冲宽度压缩回飞秒（皮秒）量级。

图2啁啾脉冲放大技术原理示意图

自CPA技术之后近30年的时间里，不仅激光的峰值功率及强度提高了近10个量级，而且激光装置的体积及成本也大大降低，得以广泛应用于高校和研究所。由于CPA技术在激光强度发展的历史中所起的作用，美国将基于CPA技术搭建的激光系统用于快点火激光聚变工程，以期彻底解决能源问题。国际上许多顶级实验室也相继建成了多台峰值功率超过拍瓦级别(1015 W，PW)的CPA装置：如劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的1.5 PW、450 fs钕玻璃激光系统，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光装置，韩国先进光子学研究所的1.5 PW钛宝石CPA激光系统，中物院激光聚变中心的5 PW级激光装置和中科院上海光机所最新获得的10 PW装置等。作为欧盟未来大科学装置的极光设施（Extreme Light Infrastructure，简称ELI），目标定为发展峰值功率高达200 PW的超强超短激光装置。

2013年，G.Mourou等人基于现有的光纤放大技术及相干合成技术，针对下一代粒子加速器的应用发展需求提出了一套重复频率 10 kHz、单脉冲能量10 J的设计方案。国内中国科学院物理研究所、天津大学、北京大学、清华大学、西安光机所、华东师范大学等科研单位也在该领域展开了大量工作，争取早日拉近与国外同行的差距。

备注1：CPA技术的结果最先发表在《光学通信》（五年影响影子1.57，不算高）。

备注2：这篇获奖文章的最后感谢了Mourou教授的另一位学生Steve Williams，因为Mourou教授研发CPA技术的灵感很大程度上源于这位学生与他颇具启发性的讨论。备注3：Strickland当年作为一个新入学的博士生，在导师Mourou、同事Bado和Bouvie的帮助下很快完成了原理性实验，之后她还担心这个课题过于简单，不够博士毕业的要求。备注4： Mourou和Strickland的奖金大约170万人民币，能在北京凑个首付？