激光冷却固体也被称之为光学冰箱，其概念早在1929年就由德国物理学家彼得·普林斯海姆提出。20年后，法国物理学家卡斯特勒（Kastler）等人就提出稀土掺杂的固体材料可能具有激光制冷的潜力。后来科学家有诸多失败的尝试，固体材料的激光制冷直到1995年才第一次被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室观察到。他们用波长为1010纳米的激光照射稀土钇掺杂的玻璃，使得物体的温度降低了0.3摄氏度。经过多年的努力，他们在2011年用波长为1020纳米的激光成功的将掺镱氟化钇锂晶体的温度从室温降到零下160摄氏度。这一制冷纪录已经超越基于半导体温差电效应的制冷器件，但是也达到了稀土掺杂材料的最低冷却极限。
由于半导体材料独特的物理性质，理论上它具有更大冷却效率和低达零下260摄氏度的冷却极限。这一温度可以替代几乎所有的冷却剂，包括超导体必须的冷却剂液氦。半导体材料能够很容易的集成在一起，因此被认为是下一代光学制冷器的候选材料。然而，长久以来研究者虽然在III-V族半导体材料如砷化镓进行了理论和实验上地广泛的研究，但由于这种材料低的电子和声子耦合效率和高的荧光光子再吸收效应，使得人们一直没有得到真正地实现激光冷却。
一、激光冷却技术历程及发展方向回顾
激光冷却是利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。激光冷却气体原子技术及其在科学技术中的应用是近二十年来发展十分迅速的研究领域。1997年度的诺贝尔物理学奖颁发给了美国斯坦福大学的朱棣文( Steven Chu)、美国国家标准与技术研究所的菲利普斯(William D.Phillips)和法国巴黎高等师范学院的科昂.唐努日( Claude N. Cohen-Tannoud ji)， 表彰他们在激光冷却和捕陷气体原子研究中所做出的突出贡献。2002年度的诺贝尔物理学奖， 授予美国科学家维曼( Carl E. Wieman )、康奈尔( Eric A.Corne ll)和德国科学家克特勒(Wolfgang. Ketterle)， 表彰他们在实现玻色-爱因斯坦凝聚工作中做出的突出贡献。近期两届诺贝尔物理奖均授予了同一领域的两项成果， 说明这是一个极其重要和活跃的前沿研究领域， 特别是这些研究结果为当今高新技术的发展打下了基础， 并将对二十一世纪科学技术的发展带来深远的影响。
人类在很久以前就认识到光具有压力， 称光压。牛顿在观察星空时就发现彗星在宇宙间运动时， 彗尾总是背向太阳。他认识到光有压力。在历史上很多的科学家曾进行过光压的实验， 但只能观察到很微弱的现象。直至激光问世之后， 光的辐射压力才有可能成为倍受关注的研究问题。激光是相干光， 当相干光与原子共振时， 原子吸收光子的截面很大， 原子受到的光压就很大。实际上共振光压比重力大10万倍。因此， 光的力学效应就是一个不可忽略的物理效应了。1976年汉斯( T. Hansch)和肖洛( A. Schaw low )以及瓦恩兰( D. W ineland)和德默尔特(H. Dehmelt)各自独立地提出了激光冷却气体原子的建议； 其物理思想是建立在光与原子相互作用的过程中动量交换的基础上， 通过动量交换形成光的辐射压力， 从而控制原子的外部运动和降低原子运动的速度。
1985年， 朱棣文进行的激光冷却实验是利用三对相互垂直的激光束进行的。在这种光场中， 原子不仅因受粘滞力而被冷却， 而且还受梯度力被囚禁于光束交汇区中。这种囚禁类似于微粒在粘稠的液体中作布朗运动的情况。由于阻尼力的作用， 原子的运动速度很慢， 每扩散1厘米需要1秒钟。如果没有光场的作用， 原子扩散1厘米只需20毫秒。因此， 将这种囚禁作用称为“光学粘胶”。实验测量得到钠原子气体的温度为240μK， 测量的结果与理论预言相符合。
激光冷却和捕陷气体原子研究已发展了20多年， 在各国实验室中激光冷却和捕陷气体原子已成为获得超冷原子的典型方法和技术。但新的激光冷却机制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特别是微结构势阱中的激光冷却和囚禁气体原子(分子)技术的研究仍是当前研究的重点课题。
激光冷却超冷原子不仅在科学实验中有重要学术价值， 而且在高科技中也具有重大的应用前景。特别是对于玻色-爱因斯坦凝聚态研究、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪研制等。
原子钟对物理学研究、计量科学研究和高科技研究均有极大的推动力。使用新型原子钟后， 全球定位精度(GPS)可精确到毫米量级， 对航海、航天和国防技术有多么重大的意义。新型原子钟将大大地提高对广义相对论的验证精度， 使人们在更深层次上认识世界， 有力地推动科学与技术的发展。
激光冷却和操纵原子技术的另一个重要应用是研制高精度的原子干涉仪。原子运动速度很低时， 原子波动性更加明显， 可利用原子的相干性研制原子干涉仪。[JF:Page]
原子干涉仪在科学技术上有着巨大的应用价值。由于原子具有复杂的内部结构， 对各种势场非常敏感， 因而原子干涉仪可进行各种势场的精密测量。特别是用以测量弱作用力的实验， 如研究原子的纯荷电量、验证广义相对论和验证量子力学等。原子干涉仪又是一个精密的惯性敏感器， 可精确测量重力场的加速度和加速度的变化， 这种变化与地下矿床的结构相关，因而原子干涉仪可用于油井定位和矿床的勘探。原子干涉仪旋转时， 可测量Sagnac效应， 它对角速度变化的灵敏度比光学陀螺要好两个数量级， 因而可制成精密的原子导航仪。
激光冷却气体原子及其在科学技术中的应用研究是量子光学研究中最为活跃的前沿研究领域。它的成果将不仅具有重要的科学价值和应用价值， 而且在这个研究领域中充满了挑战和创新的机遇。它为我们提供了占领科学技术的阵地和攀登世界科技顶峰的机会。
近年来激光冷却技术的一些进展：
二、激光冷却技术相关进展
1、激光冷却改善氮化镓（gallium-nitride）性能
美国里海大学电子与计算机工程教授Yujie Ding表示，激光冷却将改善氮化镓（gallium-nitride）性能， 氮化镓是继硅之后的又一重要的半导体材料。
光子--光能量的单位--他们穿出和进入物体时，通常保持相同的动能和波长。拉曼（Raman）散射，是以Chandrasekhara Venkata Raman命名的，他是1930年诺贝尔物理学奖获得者，提出少部分散射光子的动能、波长和频率不同于入射光子。
当光子频率降低时，它被命名为斯托克斯散射，以纪念乔治·斯托克斯爵士，他是19世纪英国物理学家和数学家。当光子频率升高时，它被称为反斯托克斯散射。
Ding表示，斯托克斯散射与反斯托克斯散射的比率通常是35：1。科学家们希望将这一比率降低为1：1，这样当物体受到光线照射时既不会被加热也不会被冷却；甚至更进一步，当物体受到光线照射时，反斯托克斯散射能够多于斯托克斯散射，那么物体会散发能量并加热本身。
Ding和Khurgin，正研究氮化镓(GaN)，已经成功地将反斯托克斯散射与斯托克斯散射的比率降低到2：1。氮化镓，被认为是继硅之后最重要的半导体材料，被用于发光二极管(LEDs)和激光二极管。其他可能的应用包括：能在高温下运行的高频大功率晶体管，供卫星使用的太阳能电池，生化传感器，还因其具有相对的生物相容性，能够作为电子芯片植入人体。
氮化镓激光冷却技术可以帮助科学家观察异常的量子效应，通过提高晶体管电子迁移率 (HEMTs)使得卫星免受有害紫外线伤害。
"我们是目前在常温下使斯托克斯散射/反斯托克斯散射之比由35：1降到2：1唯一小组，"Ding说。"我们利用了斯托克斯散射和反斯托克斯散射不同的共振行为实现这一成果。"
Ding说，目前研究人员将掺杂物添加到某晶体材料的晶格里面，实现了激光冷却技术。但部分冷却的晶格，实际上只是整个晶格十分微小的一部分。如果能够实现恰当的斯托克斯散射与反斯托克斯的比率，那么氮化镓晶格的每个原子都会被冷却，会有助于实现冷却效果。
下一步计划就是制造一个光学共振器。
"我们一直想知道的是，究竟是什么限制了斯托克斯散射与反斯托克斯散射的比率，以及其比率达到1；1甚至更小是否具有可行性，"Ding说。
"我们想用实验得出，光学共振器是如何影响这一比率的。为此，我们已经做好了理论上的准备。我们会在纳米线或其他奈米结构中进行实验，来展示这个比率是如何受结构影响的。"
2、激光冷却电子云
研究人员开发出一种新颖的激光冷却半导体膜技术，为以后冷却超敏传感器和量子计算机铺平了道路。
来自Neils玻尔研究所Quantop研究小组的研究人员在过去的几年间进行了激光冷却原子的实验来研究光力学，即机械运动与光辐射及光之间的关系。
科学家开发出新的制冷方法，该方法通过加热材料，这与量子力学和纳米物理学相悖。他们制作了160 nm厚和表面积为1×1毫米的半导体纳米薄膜。
“我们让纳米膜与激光相互作用，通过其机械运动影响击中薄膜的光，”玻尔研究所的副教授Koji Usami说。[JF:Page]
研究小组发现利用镜片将薄膜发射回来的光再次反射回薄膜，这个过程反复进行，形成一个光学谐振腔。这种方法能够将薄膜冷却到负269摄氏度。
薄膜吸收的一部分光用来产生自由电子。当自由电子减少时，研究人员加热薄膜，形成热扩散。通过这种方式，在薄膜和镜子间不断波动。
研究人员注意到薄膜的某些振荡方式从室温被冷却到负269摄氏度，通过复杂的光学共振态，薄膜运动和半导体属性之间的作用。
“这是一种新的光力学机制，对以后新的发现致关重要”Usami说。“相矛盾的是薄膜整体获得一点热量，薄膜就会在振荡中被冷却，这种冷却方式可以通过激光控制。所以是通过加热材料来使材料冷却。”
这一发现将促进新式电流和机械传感器的发展。在某种情况下，将取代目前使用的昂贵的低温冷却方式，这可能形成极敏量子传感器，Polzik说。
3、激光冷却囚禁原子并进行操控
利用激光冷却并囚禁原子的技术，是物理学家获得冷原子的经典方法。这是人类有史以来第一次操控微观粒子。
2010年7月底，陈帅应邀前往澳大利亚参加第22届国际原子物理学会议。他惊讶地发现，会上提交的议题差不多都跟冷原子有关。有的用冷原子做精密测量，有的测量基本常数，有的测算时间，还有人提出用冷原子模拟凝聚态物理。
“冷原子好热啊。”陈帅感叹道。在他看来，假如人类尚未发现这项技术，恐怕当代物理学的很多研究都将停滞不前。
捉住原子，再囚禁起来
启动激光器之后，陈帅紧盯着真空腔里的变化。不到1秒钟的时间，面前闪现出一个不易察觉的圆点。它像正在充气的气球那样急速膨胀，最终形成一个直径5毫米的暗红色小球。“可以数数了。”陈帅自言自语道。这团小球里大约汇聚了10亿个铷原子。陈帅决定把其中一部分“抓”出来，“囚禁”在光晶格里。
与科技史上一些伟大的发现一样，捕捉冷原子的技术也是一次意外的收获。
“最初科学家们只是想获取更精确的时间。”在讲述这段科学史的时候，陈帅掏出他的诺基亚手机摆在桌子上，“现在年轻人习惯用手机计时，实际上这和过去钟表计时相比，其原理都是一样的。”
学过中学物理的人都知道，物体都在以一定的频率振荡，通过振荡频率，就知道时间的长短。最简单的例子是单摆，如果摆动一次是一秒钟，在特定条件下摆动100次就是100秒。但这种计时方法只能精确到秒。后来，科学家们发现，在零磁场的情况下石英晶体会发出固定的振荡脉冲，每振荡约3.2万次就是1秒，这样就有了石英表，通常可以精确到十万分之一秒。
“人们永远都想测得更准。”陈帅说。后来科学家发现，铯原子跃迁发出的电磁波频率，比其他物质更为准确。在1963年召开的第13届国际计量大会上，科学家们给时间下了一个定义，即铯原子Cs-133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。这个标准一直沿用至今。
但原子的无规则热运动却成了精密测量的巨大障碍，有些原子在常温下的速度高达到数百米每秒。只有让原子飞得慢点，甚至把速度降到零，才可能把时间数准。而唯一的办法就是让原子的温度趋近于绝对零度（-273.15摄氏度），成为冷原子。
“给原子降温可不是一件容易的事啊。”陈帅笑着举例，对人类来说，0摄氏度的冰已经够冷了，但是在原子看来还有273.15摄氏度的高温。液氮是-196摄氏度，在这个温度下，空气都变成了液态，但对原子来说，温度才降到常温的1/4。
100多年前，人们就制造出-269摄氏度的液氦，此温度下，金属的电阻都会消失，出现超导现象。可是对原子来说，虽然凉快多了，也还不够冷。传统低温技术可以制冷到10-3开尔文，冷是很冷了，但此时大部分物质都变成了固体，无法保持观测原子所必须的气态。
直到1975年，德国物理学家汉斯提出了一个设想，可以用激光降低原子的动能，从而给原子制冷，这就像以喷水的方式来使一个行进中的小球静止下来，让它悬浮在空中，任由人们看个明白。
汉斯因提出并开发飞秒光梳来进行频率测量的技术而获得2005年诺贝尔物理学奖。尽管他并没有用实验印证自己当年的设想，但这个想法也被视为其一生中最伟大的成就。
你从前打猎，总是打不着反应敏捷的土拨鼠，现在终于找到一支精度和射程俱佳的好枪
最先完成汉斯设想的，是美国现任能源部部长朱棣文。中国人大都知道，这位华裔物理学家获得了1997年诺贝尔物理学奖，而其获奖原因正是“发明了用激光冷却和捕获原子的方法”。
1985年，朱棣文和他的团队在贝尔实验室用6束激光使原子减速，他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止，然后把钠原子引进6束激光的交汇处。在这个小区域里，聚集了大量冷却的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光气团。由6束激光组成的阻尼机制就像某种黏稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。科学家给这种机制起了一个绰号，叫“光学黏胶”。
然而在上述实验中，原子只是被冷却，并没有被捕捉到，重力会使它们在1秒钟内从“光学黏胶”中落下来。1987年，朱棣文团队做成了一种“磁光陷阱”，其中会产生一个比重力大的力，把原子拉回陷阱里去。此时原子虽然没有真正被捉住，却被激光和磁场约束在一个很小的范围里，从而可以在实验中加以研究和利用。
陈帅还记得，在朱棣文发表的第一篇论文里，原子的温度降到了100微开尔文这个量级。后来，别的研究团队后来居上，陆续创造出更低的温度。
在给冷原子降温的历程中，每一点温度的降低都被视为一座里程碑。
如今通用的降温办法是把冷原子团置入“磁阱”或靠“光阱”蒸发的办法把温度降到10-9开尔文这个量级，从而获取“人为制造的宇宙中最冷的物质”。在这个过程中，科学家实现了“玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）”。
早在1924年，玻色和爱因斯坦就从理论上预言，存在另外一种物质状态——即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就像一个原子一样，具有完全相同的物理性质。但直到1995年，这一神奇的现象才在实验室中得到充分的显示。美德3位物理学家因在“稀薄气态碱金属原子的玻色-爱因斯坦凝聚”中的开创性工作而获得2001年诺贝尔物理奖。
在短短的8年时间内，冷原子物理领域就诞生了3个诺贝尔奖。如今，冷原子物理已经成为最热门的交叉学科。“想在物理学上有所突破的人，都必须了解这一新兴的技术手段。”陈帅说，“这就相当于，你从前打猎，总是打不着反应敏捷的土拨鼠，现在终于找到一支精度和射程俱佳的好枪。”
科学之所以能不断突破，是因为人们永远都想测得更准些
陈帅还记得，11年前第一次看见冷原子的情景。当时用的是肉眼看不到的铯原子。经过一天的光路调试，红外监测屏上终于出现了一个“闪亮的光球”。当时刚念硕士研究生二年级的陈帅觉得“好神奇”。他记得在中学物理老师的描述中，原子是构成物质最小的单位，是“看不见且摸不着的”。
如今，陈帅早已在捕捉冷原子实验方面驾轻就熟。最近，他正在尝试用不带电的原子模拟出带电粒子的行为，构造一种特别的场。[JF:Page]
近几年冷原子物理不仅经历了一个又一个研究高潮，而且呈现新成果更新期缩短的趋势。美国国家科学基金会专门拨款组成由哈佛大学和麻省理工学院共同管理的国家级超冷原子研究中心。英国、加拿大、日本、韩国也都成立了相应的机构，同时把超冷原子物理研究列为今后四大科学与技术研究方向之一，给予全力资助。
“这些国家干吗把最强的研究机构、人才都整合到一起？”陈帅分析说，在微观尺度上操纵原子分子，按人类的意愿改变原子分子间的排列组合，长久以来是人类的一个梦想。在经典世界，人类的操控能力很强，可以发射机器人到太空采集样品，进行分析，并把分析结果的信号传回地球。但是人类对微观世界的操控能力远未达到这样的水平，这对物理学家是极大的挑战，也决定了科学发展的未来。
据悉，中国在冷原子物理方面的投入正在逐年加大。今年批准的物理方面的10个“国家重点基础研究专项”（973专项）中，4项跟冷原子有关。一个国家级的冷原子实验室也在筹建当中。
冷原子技术未来的应用相当广泛。陈帅举例说，目前中国正在研制自己的北斗导航定位系统。其中涉及时间等精确测量都要自己的知识产权。国际上利用冷原子技术制造的最精确的原子钟，其精度已经达到数150亿年才误差1秒。
“追求精确时间也是人类追求极限的过程。”陈帅说，“科学之所以能不断突破，是因为人们永远都想测得更准些。”
2013年，新加坡南洋理工大学熊启华教授领导的科研小组首次证明：利用激光可使半导体的温度从室温冷却到零下20摄氏度。这一突破性的科研成果有望在电子和光电子器件上直接实现集成全固态、紧凑、无振动、无冷却剂的光学制冷器，相关元件可应用于航天器高灵敏探测器、红外夜视仪和电脑芯片等。相关论文发表在最近一期《自然》上。
熊启华教授领导的科研组成员张俊博士和博士生李德慧利用一种II-VI族半导体纳米材料－硫化镉纳米带，用波长为514纳米的绿色激光成功的将其温度从零上20摄氏度降低到零下20摄氏度；同时他们还证明即使在低温零下173摄氏度，仍然可以用532纳米的激光将半导体硫化镉纳米带的温度降低约15摄氏度。
研究人员认为有两点可以解释实验的成功：第一是得益于硫化镉半导体具有很强的电子和声子的耦合作用，在激光激发下每个光子可以共振地湮灭一个甚至多个声子而更加有效地带走硫化镉纳米带的热能；第二是实验中用到的纳米带的厚度小于带内传播荧光光子的半个波长，从而使得带走多余热能的高能荧光几乎百分之百的逃离纳米带而不会发生再吸收。
熊启华说：“这一成果开辟了一个探索半导体光学冰箱新的方向，即寻找具有强电子声子耦合的半导体材料。”
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