雷射冷卻和陷俘原子的研究，是當代物理學的熱門課題，十幾年來成果不斷湧現，前景激動人心，形成了分子和原子物理學的一個重要突破口。
操縱和控制單個原子一直是物理學家追求的目標。固體和液體中的原子處於密集狀態之中，分子和原子相互間靠得很近，聯繫難以隔絕，氣體分子或原子則不斷地在作無規亂運動，即使在室溫下空氣中的原子分子的速率也達到幾百m/s。在這種快速運動的狀態下，即使有儀器能直接進行觀察，它們也會很快地就從視場中消失，因此難以對它們進行研究。降低其溫度，可以使它們的速率減小；但是問題在於：氣體一經冷卻，它就會先凝聚為液體，再凍結成固體。如果是在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠地低，避免凝聚和凍結。但即使低到－270℃，還會有速率達到幾十m/s的分子原子，因為分子原子的速率是按一定的規律分布的。接近絕對零度（－273℃以下）時，速率才會大為降低。當溫度低到10-6K，即1微開（μK）時，自由氫原子預計將以低於25cm/s的速率運動。可是怎樣才能達到這樣低的溫度呢？
朱棣文、科恩－塔諾季、菲利普斯以及其他許多物理學家開發了用雷射把氣體冷卻到微開溫度範圍的各種方法，並且把冷卻了的原子懸浮或拘捕在不同類型的「原子陷阱」中。在這裡面，個別原子可以以極高的精確度得到研究，從而確定它們的內部結構。當在同一體積中陷俘越來越多的原子時，就組成了稀薄氣體，可以詳細研究其特性。這幾位諾貝爾獎獲得者所創造的這些新研究方法，為擴大我們對輻射和物質之間相互作用的知識作出了重要貢獻。特別是，他們打開了通向更深地了解氣體在低溫下的量子物理行為的道路。這些方法有可能用於設計新型的原子鐘，其精確度比現在最精確的原子鐘（精確度達到了百萬億分之一）還要高百倍，以應用於太空航行和精確定位。人們還開始了原子幹涉儀和原子雷射的研究。原子幹涉儀可以用於極其精確地測量引力，而原子雷射將來可能用於生產非常小的電子器件。用聚焦雷射束使原子束彎折和聚焦，導致了「光學鑷子」的發展，光子鑷子可用於操縱活細胞和其它微小物體。1988年—1995年在稀薄原子氣體中先後觀察到了一維、二維甚至三維的玻色－愛因斯坦凝聚①。這一切都是從人們能夠用雷射控制原子開始的。下面我們就來對歷史作一點簡單的回顧並且對雷射為什麼能使原子冷卻作一點通俗的解釋。
1.歷史的回顧
早在1619年，當克卜勒試圖解釋為什麼彗星進入太陽系彗尾總是背著太陽時，他曾經提出，光可能有機械效應。麥克斯韋在1873年、愛因斯坦在1917年都對所謂的「光壓」理論作過重要貢獻，特別是，愛因斯坦證明了，原子吸收和發射光子後，其動量會發生改變。有光子動量參與的過程首推康普頓效應，即X射線受電子的散射。最早觀察到反衝電子的是1923年C.T.R.威耳遜用雲室作出的。第一次在實驗中觀察到反衝原子的是弗利胥（1933年）。1966年索洛金（P.Sorokin）等人發明的可調染料雷射器，為進一步探討「光的機械特性」提供了優越的手段。
20世紀70年代列託霍夫（V.S.Letokhov）以及其他蘇聯物理學家和美國荷爾德爾（Holmdel）貝爾實驗室阿斯金（A.Ashkin）。小組的物理學家在理論上和實驗上對光子與中性原子的相互作用進行了重要的早期工作。其中有一項是他們建議用聚焦雷射束使原子束彎折和聚焦，從而達到陷俘原子的目的。他們的工作導致了「光學鑷子」的發展，光學鑷子可用於操縱活細胞和其它微小物體。
漢胥（T.W.Hānsch）和肖洛（A.L.Schawlow）1975年首先建議用相向傳播的雷射束使中性原子冷卻。與此同時，外蘭德（D.J.Wineland）和德默爾特（H.G.Dehmelt）對於離子陷阱中的離子也提出過類似的建議。漢斯和肖洛的方法是：把雷射束調諧到略低於原子的諧振躍遷頻率，利用都卜勒原理就可使中性原子冷卻。
2.雷射為什麼能使原子減速？
光可以看成是一束粒子流，這種粒子就叫光子。光子一般來說是沒有質量的。但是具有一定的動量。光子撞到原子上可以把它的動量轉移給那個原子。這種情況要發生，必須是光子有恰好的能量，或者可以這樣說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因為光子的能量正比於光的頻率，而光的頻率又決定光的顏色。因此組成紅光的光子比起組成藍光的光子能量要低些。是什麼決定光子應有多大能量才能對原子起作用呢？是原子的內部結構（能級）。原子處於一定的能級狀態，能級的躍遷就是原子吸收和發射光子的過程。原子的能級是一定的，它吸收和發射光子的頻率也是一定的。如果正在行進中的原子被迎面而來的雷射照射，只要雷射的頻率和原子的固有頻率一致，就會引起原子的躍遷，原子會吸收迎面而來的光子而減小動量。與此同時，原子又會因躍遷而發射同樣的光子，不過它發射的光子是朝著四面八方的，因此，實際效果是原子的動量每碰撞一次就減小一點，直至最低值。動量和速度成正比，動量越小，速度也越小。因此所謂雷射冷卻，實際上就是在雷射的作用下使原子減速。