利用这种跃迁特性，人们可以控制原子中的电子在不同的轨道，也就是说可以控制原子的状态。并且由于跃迁的存在，人们可以把原子减速甚至冷却下来。不过正如前面所说，电子越多，原子的状态就越复杂。因此人们最初的研究对象通常是最外层只有单个电子的原子，这种原子的结构类似氢原子的结构，因此更简单，也更好理解。

激光冷却，就是利用光子和原子交换动量，从而冷却原子。举个例子，如果一个原子有x方向的速度，这时候如果它吸收了一个往-x方向飞行的光子，那它的速度就会变慢。这就好比是一个人骑车逆风而行，如果他不加油门，车就会由于风带来的“阻力”停下。

不过话说回来，并不是所有的原子都能被激光冷下来，想要做激光冷却，要在原子能级间找一个“循环跃迁”。只有有循环跃迁，冷却才能做到持续不断地进行。经过每⼀次循环，原子分子的动量都损失一点儿，速率慢慢地降低，温度也就冷了下来。现在被人们冷却的原子，大部分是简单的碱金属原子（比如Na）或者碱土族原子（比如Sr）。碱金属原子最外层只有一个电子，而碱土族最外层的两个电子也可以被看成一个整体处理，因此这两种原子的能级都非常简单。人们很容易在其中找到“循环跃迁”。

正如上述所说，我们已经可以做到激光冷却碱金属原子或者碱土族原子。然而要激光冷却分子，却还有比较大的困难要面对：通常分子的结构要比原子复杂。在处理原子时，我们只需要考虑电子能级，而在分子中我们还需要考虑振动转动能级。这些“凭空”多出来的能级，会让我们难以找到合适的“循环跃迁”。

我们具体来聊聊“循环跃迁”的问题。分子相对于原子，能级更丰富，丰富的能级固然能带来更多的应用前景，但这个好处是有代价的。因为能级太丰富了，所以分子在激光冷却中会随机掉到“暗态”，掉到“暗态”的分子不再发光，因此不再是“循环跃迁”，冷却无法持续进行下去。好在人们发现，对于有“光循环中心”的分子，循环跃迁变得可行，我会在下一小节介绍。

复杂的分子能级，使得激光直接冷却非常困难，但人们在研究冷分子的路上并没有就此放弃。

一方面，人们提出了很多间接冷却分子的方法，例如有些组提出可以用Feshbach共振去将两个冷原子合成一个冷分子[1]，甚至已经实现了用三个原子合成一个分子[2]；也有些组通过“协同冷却”把离子性的单个分子冷下来。这些间接冷却分子的方法，给量子模拟和量子化学的发展带来了很深的影响。但目前，间接冷却分子的方法适用范围还比较有限，还不能普遍适用于多原子分子。

另一方面，对更广泛多原子分子（Polyatomic molecule）的兴趣，驱使物理学家们继续思考分子激光冷却的可能性。2010年，耶鲁大学的Dave Demille教授（现任芝加哥大学教授）实现了SrF的激光冷却[3]。随后，科学家们也开始研究CaF、SrOH、CaH、CaOH、YbF等分子的冷却。在这个过程中，人们发现这些能被激光冷却的分子，都有类似原子的跃迁属性。而本文的核心，将以CaF这种分子为例，阐述这种“类似原子的属性”，并逐渐过渡到更大的分子。

尽管任意多原子分子的循环跃迁很难找，但如果多原子分子有光循环中心（Optical cycling center，简称OCC），事情就会好办很多。举个例子，CaF分子中的Ca原子外层有两个电子，其中一个电子会和F形成化学键，剩下的一个自由电子围绕整个分子做运动。但这时，由于Ca带正电，F拿走一个电子之后带负电，会天然形成一个电场把自由电子往Ca原子附近推[1,4]。换句话说，这时候的自由电子主要绕Ca原子转动（电子在Ca原子附近的概率非常大）。

图5. CaF分子的电子分布示意图。在给F一个电子之后，Ca带正电而F带负电。这种核电荷分布会天然将剩下的一个自由电子往Ca附近吸引。

这样的电子分布带来的结果是，F原子对电子云几乎没有影响，电子的能级几乎完全由光循环中心决定，也就是由Ca决定。这个效应的直接结果是分子从一个n=1振动态会以很大的概率同样掉到基态的n=1，这样可以极大程度实现光的循环跃迁而避免“暗态”。对于少部分掉到暗态的光，我们可以用激光把这些态的原子再激发到循坏跃迁内，这被称为“再泵浦（repump）”。利用这种方法，CaF分子目前可以被冷却并装载进光镊阵列里。

图6. 电子云分布图，M是光循环中心。