激光冷卻的原理和技術進展

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1. 簡介
2. 絕對零度的需求?
3. 用激光來制冷？
4. 原理?
5. 激光冷卻運用與新進展?

1. 簡介：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。

2.絕對零度的需求

　　盡人皆知，平時日子中常常需求用到這種種降溫手法，在工業生產里邊，降溫更是至關主要。常用的空調或許冰箱并不能夠將溫度改動太多，最多也就能夠到達零下幾十攝氏度的姿態。

　　但是，在許多科學研討工作中，科學家需求十分低的溫度，也因而需求更多不相同的降溫辦法。比如說研討超導體，就往往需求在挨近絕對零度的溫度下進行丈量和研討。這些通常是經過和液氮（77K，零下196攝氏度）或許液氦（4.2K，約零下269攝氏度）相觸摸來將試驗的體系保持在那么低的溫度，或許經過和稀釋制冷機相觸摸來取得只是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討中，需求用非直觸摸摸的辦法取得比這些還要更挨近絕對零度的溫度，這就需求激光來幫忙了。

3.用激光來制冷？或許嗎？

　　說到激光，咱們首要想到的或許是光盤光驅、激光筆、商品條形碼、指星筆等日子中的各種運用。咱們或許還會想到，激光具有很高的能量，咱們印象中的激光往往是灼熱和亮堂的代言詞：指星筆有或許傷到雙眼；在肌膚醫院里，激光被用來“燒”掉咱們身上的紋身；在有些工廠里邊，激光乃至能夠用來切開金屬。激光能用來降溫嗎？

　　能的。運用激光冷卻技能，科學家們能夠取得只是比絕對零度高出不到千分之一度的低溫。物理學里邊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相同的。絕對零度（0K）是-273.15攝氏度，室溫相當于大概300開爾文。要記得，咱們只能盡量挨近絕對零度，而不能到達。

　　1985年的時分，美國斯坦福大學的朱棣文教授（現任美國能源部部長）等人首要運用激光冷卻技能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試驗是運用三對彼此筆直的激光束進行的。在這種光場中，原子不只因受粘滯力而被冷卻，并且還受梯度力被軟禁于光束交匯區中。這種軟禁類似于微粒在粘稠的液體中作布朗運動的狀況。因為阻尼力的效果，原子的運動速度很慢，每分散1厘米需求1秒鐘。假如沒有光場的效果，原子分散1厘米只需20毫秒。因而，將這種軟禁效果稱為“光學粘膠”。試驗丈量得到鈉原子氣體的溫度為240μK，丈量的結果與理論預言相符合。

　　1997年，朱棣文因而項工作和法國巴黎高級師范學院的ClaudeCohen-Tannoudji教授以及美國國家標準局的WilliamD.Phillips教授共享了諾貝爾物理學獎。

4.原理是什么呢

　　咱們能夠幻想一個戰役的局面。失控的戰車沖向壕溝，壕溝里的兵士向戰車不斷開槍，槍彈擊中戰車并彈向五湖四海。假如細心看戰車的速度，咱們會發現因為槍彈的碰擊，戰車的速度會越來越小，激光冷卻原子就是類似的進程。如上圖顯示的，激光器宣布的光子就像槍彈相同，假如光子在鈉原子上發作“散射”，那么向右運動的鈉原子在激光的效果下速度會越來越慢。細心說來，光子在鈉原子上發作的并不是散射，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分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。這么，原子的動能有個和光子的能量有關的不確定性，這也給出了激光冷卻能夠得到的最低溫度。

　　假如你還沒有意識到“速度變慢”和降溫的聯系的話，那么讓我來提醒一下。咱們所說的溫度，在物理學家看來，本來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），就是當一切粒子運動速度為零時的溫度。這是一個極限溫度，沒有任何人能夠完成真實的絕對零度，但科學家正在朝著這個方向一步一步跨進，激光冷卻技能就是其間的要害一步。當一團鈉原子氣體里的大多數原子被激光逐漸減速，氣體對應的溫度也越來越低，這么就完成了“降溫”的進程。

　　但你或許會問，怎樣這么巧，納原子剛好向著激光的方向運動，它不應該是五湖四海的嗎？惹不起，還躲不起嗎？

　　高壓鈉燈的發射譜線

　　需求這考慮到光和原子彼此效果的問題——并不是一切波長的激光都能夠和原子彼此效果。原子內部的電子能級發作變化的時分，會放出或許吸收特定波長的光，這構成了原子的發射光譜或許吸收光譜。每一條譜線都是有必定的寬度，光波長越挨近吸收譜線的基地方位，激光就越簡單影響原子，原子只會對這些特定顏色的光起反響，而對遠離譜線方位的光視而不見。

　　為了冷卻一切的原子，咱們需求能夠操控減慢哪些原子。關于向著激光運動的原子來說，咱們期望能減慢他們的速度，關于遠離激光運動的原子來說，咱們不期望把它們推的越來越快。激光冷卻技能的完成，得益于多普勒效應的存在。光波和聲波都是動搖，當物體相關于動搖的源頭運動的時分，它感遭到的波長和頻率都會發作變化。向著咱們運動的火車宣布的鳴笛，聽起來要比遠離咱們運動的火車聲調要高一些。相同，遠離咱們運動的恒星宣布的光，在咱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，挑選激光的波長在原子譜線偏紅（波長偏長）的一側，這么能夠完成原子的減速。

　　這么，只要咱們將激光的波長挑選在原子譜線略微比基地方位的波長大一些的一側，那么因為多普勒效應，向著激光運動的原子感遭到的波長會顯得短一些（藍移），因而效果激烈；而違背激光運動的原子感遭到的波長會更長一些（紅移），因而不會遭到效果。這么，假如在前后左右上下六個方向都有一束激光的話，就能夠確保把原子的速度降低下來。經過這種辦法，科學家們能夠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。

5.激光冷卻運用與新進展

　　激光冷卻超冷原子不只在科學試驗中有主要學術價值，并且在高科技中也具有嚴重的運用前景。特別是關于玻色-愛因斯坦凝集態研討、廣義相對論的驗證、原子頻標和原子干涉儀研發等。

　　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)，贊譽他們在完成玻色-愛因斯坦凝集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試驗到達5x10^(-10)℃納開爾文。

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

　　2014年，中國計量科學研討院李天初和搭檔們共同努力，將NIM5噴泉鐘精確度到達2000萬年不差一秒，被接納為世界計量局認可的基準鐘之一。這使中國變成第8個參加駕馭世界原子時的國家，在世界標準時間發生進程中不只擁有話語權，更具有了表決權。

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

　　英國薩塞克斯大學官網稱，該校物理學家運用微波輻射，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討已開展了30年，在各國試驗室中激光冷卻和捕陷氣體原子已變成取得超冷原子的典型辦法和技能。但新的激光冷卻機制和軟禁原子(分子)的辦法仍有待探究。特別是微結構勢阱中的激光冷卻和軟禁氣體原子(分子)技能的研討仍是當時研討的要點課題。