Nature | 连续稳定的玻色-爱因斯坦凝聚流实现连续波原子激光器

近日，荷兰的研究人员提出并证实了一种生产超冷粒子的方法，该方法可用于为原子激光器提供稳定且可持续的玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC) 流，与光学激光器相比，其能够产生相干的物质流。相关研究内容以发表于Nature(doi：10.1038/s41586-022-04731-z）。

产生玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC) 流的演示实验装置。

本研究提出的新的冷却方法，是通过连续冷却步骤将锶原子冷却到几乎绝对为零，而不是在一个地方随着时间的推移逐渐冷却原子。新方法不仅增加了原子凝聚成相干波的机会，而且它还可以作为一种 BEC 传送带，理论上可以用于无限期地为原子激光器供能。

原子激光的关键成分是物质的第五态 BEC。BEC是一种冷却到几乎绝对零（约-273°C）时的非常扩散的冷却气体（通常使用激光和蒸发冷却）。在超冷的温度下，原子集体落入最低量子态，凝聚成相干波，就形成了 BEC。 然后，使用输出耦合器提取BEC以产生物质束，类似于激光束中的相干光子束。

然而，用于冷却原子并产生BEC的激光也会迅速破坏BEC，因此原子激光输出脉冲时间非常短的脉冲。为了制造能够输出连续波的原子激光器，荷兰阿姆斯特丹大学的 Florian Schreck的研究团队提出了一种稳定产生BEC的新方法。

为了产生稳定的 BEC 流来为连续波原子激光器供能，研究人员提出了锶原子在空间传播时进行激光冷却的想法，即原子在通过连续的冷却步骤时是移动的。最后，超冷原子空间上到达了目标位置，并固定用来在 BEC 中形成相干物质波。在系统运行中，随着原子的使用和破坏，新的冷却的原子能够不断地补充 BEC。

实验中，该团队首先从加载到交叉束偶极阱中的锶原子流开始。陷阱相当于形成了一个原子池，在此处原子被激光冷却。然后，一束透明激光束入射到原子池，光束轨迹的轻微偏移使锶原子对破坏性激光透明，而对冷却激光吸收。冷却后的原子在储层底部凝结成超冷气体凹坑，也就形成了 BEC。

研究人员使用原子云密度图像来确认他们的技术确实产生了连续的 BEC 流。他们通过将图像与理论计算进行拟合从而进一步验证了这些结果。下一步，该研究团队将通过增强加载凹坑的相空间通量和通过拉曼冷却降低原子温度来提高 BEC 纯度。