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光學工程
激光冷卻技術
 激光冷卻固體也被稱之為光學冰箱,其概念早在1929年就由德國物理學家彼得   普林斯海姆提出。

  一、絕對零度的需求

  我們知道,日常生活中經常需要用到這種種降溫手段,在工業生產里面,降溫更是至關重要。常用的空調或者冰箱并不能夠將溫度改變太多,最多也就能夠達到零下幾十攝氏度的樣子。

  然而,在很多科學研究工作中,科學家需要非常低的溫度,也因此需要更多不同的降溫措施。比如說研究超導體,就往往需要在接近絕對零度的溫度下進行測量和研究。這些一般是通過和液氮(77K,零下196攝氏度)或者液氦(4.2K,約零下269攝氏度)相接觸來將實驗的系統保持在那么低的溫度,或者通過和稀釋制冷機相接觸來獲得僅僅比絕對零度高幾個毫K(千分之一度)的溫度。

  更進一步,在關于冷原子氣體的研究中,需要用非直接接觸的方法獲得比這些還要更接近絕對零度的溫度,這就需要激光來幫忙了。

  二、用激光來制冷?可能嗎?

  提到激光,我們首先想到的可能是光盤光驅、激光筆、商品條形碼、指星筆等生活中的各種應用。大家可能還會想到,激光具有很高的能量,我們印象中的激光往往是灼熱和明亮的代言詞:指星筆有可能傷到眼睛;在皮膚醫院里,激光被用來“燒”掉人們身上的紋身;在有些工廠里面,激光甚至能夠用來切割金屬。激光能用來降溫嗎?

  能的。利用激光冷卻技術,科學家們能夠獲得僅僅比絕對零度高出不到千分之一度的低溫。物理學里面常用的溫度標準叫做絕對溫度,單位為開爾文(K),一個開爾文和一攝氏度的單位是一樣的。絕對零度(0K)是-273.15攝氏度,室溫相當于大約300開爾文。要記得,我們只能盡量接近絕對零度,而不能達到。

  1985年的時候,美國斯坦福大學的朱棣文教授(現任美國能源部部長)等人首先利用激光冷卻技術將鈉的原子氣體冷卻到了240微開爾文的溫度(僅比絕對零度高出一百萬分之二百四十度)。朱棣文進行的激光冷卻實驗是利用三對相互垂直的激光束進行的。在這種光場中,原子不僅因受粘滯力而被冷卻,而且還受梯度力被囚禁于光束交匯區中。這種囚禁類似于微粒在粘稠的液體中作布朗運動的情況。由于阻尼力的作用,原子的運動速度很慢,每擴散1厘米需要1秒鐘。如果沒有光場的作用,原子擴散1厘米只需20毫秒。因此,將這種囚禁作用稱為“光學粘膠”。實驗測量得到鈉原子氣體的溫度為240μK,測量的結果與理論預言相符合。

  1997年,朱棣文因此項工作和法國巴黎高等師范學院的ClaudeCohen-Tannoudji教授以及美國國家標準局的WilliamD.Phillips教授分享了諾貝爾物理學獎。

  三、原理是什么呢

  大家可以想象一個戰爭的場面。失控的戰車沖向戰壕,戰壕里的戰士向戰車不斷開槍,子彈擊中戰車并彈向四面八方。如果仔細看戰車的速度,我們會發現由于子彈的撞擊,戰車的速度會越來越小,激光冷卻原子便是相似的過程。如上圖顯示的,激光器發出的光子就像子彈一樣,如果光子在鈉原子上發生“散射”,那么向右運動的鈉原子在激光的作用下速度會越來越慢。仔細說來,光子在鈉原子上發生的并不是散射,而是光子將鈉原子的電子激發到激發態,然后電子躍遷回來的時候會放出一個方向不確定的光子。在一段時間內,鈉原子吸收的光子有特定方向,而放出的卻沒有,所以原子會被光束減速。這樣,原子的動能有個和光子的能量相關的不確定性,這也給出了激光冷卻能夠得到的最低溫度。

  如果你還沒有意識到“速度變慢”和降溫的關系的話,那么讓我來提醒一下。我們所說的溫度,在物理學家看來,其實描述了構成物體的那些微觀粒子的運動狀態。粒子運動的平均速度越大,物體溫度就越高,越小則溫度越低。熱力學溫度里的絕對零度(即零下273.15攝氏度),便是當所有粒子運動速度為零時的溫度。這是一個極限溫度,沒有任何人可以實現真正的絕對零度,但科學家正在朝著這個方向一步一步邁進,激光冷卻技術便是其中的關鍵一步。當一團鈉原子氣體里的大部分原子被激光漸漸減速,氣體對應的溫度也越來越低,這樣就實現了“降溫”的過程。

  但你也許會問,怎么這么巧,納原子剛好向著激光的方向運動,它不應該是四面八方的嗎?惹不起,還躲不起嗎?

  高壓鈉燈的發射譜線

  需要這考慮到光和原子相互作用的問題——并不是所有波長的激光都能夠和原子相互作用。原子內部的電子能級發生變化的時候,會放出或者吸收特定波長的光,這構成了原子的發射光譜或者吸收光譜。每一條譜線都是有一定的寬度,光波長越接近吸收譜線的中心位置,激光就越容易影響原子,原子只會對這些特定顏色的光起反應,而對遠離譜線位置的光視而不見。

  為了冷卻所有的原子,我們需要能夠控制減慢哪些原子。對于向著激光運動的原子來說,我們希望能減慢他們的速度,對于遠離激光運動的原子來說,我們不希望把它們推的越來越快。激光冷卻技術的實現,得益于多普勒效應的存在。光波和聲波都是波動,當物體相對于波動的源頭運動的時候,它感受到的波長和頻率都會發生變化。向著我們運動的火車發出的鳴笛,聽起來要比遠離我們運動的火車聲調要高一些。同樣,遠離我們運動的恒星發出的光,在我們看來要顯得波長更長、頻率更低一些。

  激光冷卻原子的示意圖,選擇激光的波長在原子譜線偏紅(波長偏長)的一側,這樣可以實現原子的減速。

  這樣,只要我們將激光的波長選擇在原子譜線略微比中心位置的波長大一些的一側,那么由于多普勒效應,向著激光運動的原子感受到的波長會顯得短一些(藍移),因此作用強烈;而背離激光運動的原子感受到的波長會更長一些(紅移),因此不會受到作用。這樣,如果在前后左右上下六個方向都有一束激光的話,就可以保證把原子的速度降低下來。通過這種方法,科學家們可以將原子氣體的溫度降低到絕對零度之上不到千分之一度的低溫。

  四、激光冷卻應用與新進展

  激光冷卻超冷原子不僅在科學實驗中有重要學術價值,而且在高科技中也具有重大的應用前景。特別是對于玻色-愛因斯坦凝聚態研究、廣義相對論的驗證、原子頻標和原子干涉儀研制等。

  2002年度的諾貝爾物理學獎,授予美國科學家維曼(CarlE.Wieman)、康奈爾(EricA.Cornell)和德國科學家克特勒(Wolfgang.Ketterle),表彰他們在實現玻色-愛因斯坦凝聚工作中做出的突出貢獻。

  2003年,麻省理工與美國宇航局科學家聯合進行的實驗達到5x10^(-10)℃納開爾文。

  2009年,德國波恩大學的研究人員應用激光冷卻,在幾秒內使稠密的銣氣便從350℃驟降至280℃。

  2014年,中國計量科學研究院李天初和同事們共同努力,將NIM5噴泉鐘精確度達到2000萬年不差一秒,被接收為國際計量局認可的基準鐘之一。這使我國成為第8個參與駕馭國際原子時的國家,在國際標準時間產生過程中不僅擁有話語權,更具備了表決權。

  2015年,麻省理工學院科學家激光冷卻鉀鈉氣體分子,達到了5x10^(-7)℃。

  英國薩塞克斯大學官網稱,該校物理學家使用微波輻射,將單個原子冷卻到了絕對零度(-273.15攝氏度)附近。

  激光冷卻和捕陷氣體原子研究已發展了30年,在各國實驗室中激光冷卻和捕陷氣體原子已成為獲得超冷原子的典型方法和技術。但新的激光冷卻機制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特別是微結構勢阱中的激光冷卻和囚禁氣體原子(分子)技術的研究仍是當前研究的重點課題。

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