研究的起点

无论如何，我被硕士论文时候的研究工作所吸引，然后又对之后博士阶段的研究工作所着迷。我通过简单的装置来探测原子信号，而每当观察到这些来自原子的信号时，我总是能够获得美妙的欣喜感。当时的实验，比起现在摆弄激光的学生们必须掌握的实验要简单得多。我只需要一两盏灯，一两个装有原子的玻璃气室，一个光电倍增管和一个绘图仪或示波器。反观在如今的实验中，激光束在与原子相互作用前必须在大型光学平台上经过几十种反射镜、透镜、半反射分光镜和晶体，这与我们当初相比已经不可同日而语。

我在这个基本设备上又添加了一个由μ合金制成的圆柱形屏蔽罩，μ合金是镍和铁的合金，可以屏蔽地球磁场，并大大减弱环境磁噪声。在这种受保护的环境中，我开发了一种基于光抽运的铷原子磁强计。这项工作是我和克洛德的团队里的另一位学生，雅克·杜邦-罗克（Jacques Dupont-Roc）合作完成的。由于磁场上非常微小的变化会引起光抽运气室透射光强的变化，因此通过测量后者，我们可以检测到这种微小的磁场变化。铷原子的角动量来源是电子，其磁矩大约是我第一次实验所用的汞核自旋的一千倍左右。这使得这些原子对磁场的变化更加敏感。

这是我第一次看到基础研究和应用研究之间可能的联系。我们甚至为这种新的磁强计申请了专利。不得不说，这项专利并没有给我们带来金钱回报，尽管与我们的设备基本相同的其他版本现在被用于医学和研究，以记录磁心图和磁脑图，测量由心脏跳动和大脑神经元电流产生的磁场的微小波动。

为了证明这种磁强计的灵敏度，我们决定用它来观测氦-3原子核的自旋进动。这是一个双重光抽运实验，其一是氦-3，必须先通过光抽运使其拥有取向，其二是我们的磁强计所使用的铷。氦-3的原子核由两个质子和一个中子组成，和汞-199一样具有自旋-1/2。与汞一样，氦-3的这个自旋提供了其原子的全部磁性。为了使其拥有取向，需要一个比我上面所说的过程更复杂的程序。在这里我就不具体说明了。它是由另一个学生弗兰克·拉洛实现的，他当时也正在撰写与氦原子的研究相关的博士论文。雅克，弗兰克和我，我们三个人因为这次实验而聚在了一起。

在氦原子气体的自旋拥有取向之后，它们会被置于一个非常微小的横向磁场下，这个磁场的量级为地球磁场的万分之一。然后，它们会以两分半钟左右一圈的速度开始绕该磁场旋转。铷原子磁强计的玻璃气室被放置在氦原子所在的气室旁边。氦原子核的进动产生了一个小小的旋转磁场，其周期性变化能够被几厘米之外的铷原子磁强计探测到。随着一张长长的、以毫米分度的方格计算纸缓缓地展开，一支笔尖在纸上起起伏伏，磁强计气室所透射的光强调制被用红色墨水记录为一条缓慢的正弦曲线。氦自旋的集体取向保持了好几个小时，我看着数百次缓慢的振荡在一天多的时间内逐渐消失，看得入迷。因此，在μ合金的屏蔽壁之内，氦原子和铷原子通过磁场的微小变化相互交流，该磁场的振幅强度是地球磁场的百万分之一。信息从氦原子传递到铷原子，再从铷原子传递到光，最终传递到记录仪上的笔尖之上。

这个实验还有其“娱乐性”的一面。一旦原子的自旋开始像微型的小陀螺一样转了起来，就可以让它们自己去转了。有一天，我悄悄地关闭了实验室的房门，留下一张纸条：“请勿打扰，实验正在进行中”，然后我和克洛迪娜去了拉丁区的一家电影院看电影。在电影两个小时的时间里，我忘记了我的原子自旋，而我们回来之后，它们依然还在旋转中。我现在依然保存着这张长纸条，它见证了氦原子的进动。这张纸条是这次实验留给我的唯一“证明”了。如果是在今天，它将被直接数字化并存储在计算机的内存中。而当时没有这样的设备，我也不确定如果这一脆弱的信号当时被保存在了电子存储器中，是否真的会比被保存在古老的纸质档案中能够持续更长的时间。 tT3clpvdX0jCBI9UDV9gjm6XzgH5LIWAojXvEsFSGOOHUWAu1EQhtQdvLoizrel4