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上海尖丰光电技术有限公司

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激光冷却的原理和技术进展

 

  1. 简介
  2. 绝对零度的需求
  3. 用激光来制冷?
  4. 原理
  5. 激光冷却运用与新进展

1. 简介:激光冷却固体也被称之为光学冰箱,其概念早在1929年就由德国物理学家彼得普林斯海姆提出。

2.绝对零度的需求

  尽人皆知,平时日子中常常需求用到这种种降温手法,在工业生产里边,降温更是至关主要。常用的空调或许冰箱并不能够将温度改动太多,最多也就能够到达零下几十摄氏度的姿态。

  但是,在许多科学研讨工作中,科学家需求十分低的温度,也因而需求更多不相同的降温办法。比如说研讨超导体,就往往需求在挨近绝对零度的温度下进行丈量和研讨。这些通常是经过和液氮(77K,零下196摄氏度)或许液氦(4.2K,约零下269摄氏度)相触摸来将试验的体系保持在那么低的温度,或许经过和稀释制冷机相触摸来取得只是比绝对零度高几个毫K(千分之一度)的温度。

  更进一步,在关于冷原子气体的研讨中,需求用非直触摸摸的办法取得比这些还要更挨近绝对零度的温度,这就需求激光来帮忙了。

3.激光来制冷?或许吗?

  说到激光,咱们首要想到的或许是光盘光驱、激光笔、商品条形码、指星笔等日子中的各种运用。咱们或许还会想到,激光具有很高的能量,咱们印象中的激光往往是灼热和亮堂的代言词:指星笔有或许伤到双眼;在肌肤医院里,激光被用来“烧”掉咱们身上的纹身;在有些工厂里边,激光乃至能够用来切开金属。激光能用来降温吗?

  能的。运用激光冷却技能,科学家们能够取得只是比绝对零度高出不到千分之一度的低温。物理学里边常用的温度标准叫做绝对温度,单位为开尔文(K),一个开尔文和一摄氏度的单位是相同的。绝对零度(0K)是-273.15摄氏度,室温相当于大概300开尔文。要记得,咱们只能尽量挨近绝对零度,而不能到达。

  1985年的时分,美国斯坦福大学的朱棣文教授(现任美国能源部部长)等人首要运用激光冷却技能将钠的原子气体冷却到了240微开尔文的温度(仅比绝对零度高出一百万分之二百四十度)。朱棣文进行的激光冷却试验是运用三对彼此笔直的激光束进行的。在这种光场中,原子不只因受粘滞力而被冷却,并且还受梯度力被软禁于光束交汇区中。这种软禁类似于微粒在粘稠的液体中作布朗运动的状况。因为阻尼力的效果,原子的运动速度很慢,每分散1厘米需求1秒钟。假如没有光场的效果,原子分散1厘米只需20毫秒。因而,将这种软禁效果称为“光学粘胶”。试验丈量得到钠原子气体的温度为240μK,丈量的结果与理论预言相符合。

  1997年,朱棣文因而项工作和法国巴黎高级师范学院的ClaudeCohen-Tannoudji教授以及美国国家标准局的WilliamD.Phillips教授共享了诺贝尔物理学奖。

4.原理是什么呢

  咱们能够幻想一个战役的局面。失控的战车冲向壕沟,壕沟里的兵士向战车不断开枪,枪弹击中战车并弹向五湖四海。假如细心看战车的速度,咱们会发现因为枪弹的碰击,战车的速度会越来越小,激光冷却原子就是类似的进程。如上图显示的,激光器宣布的光子就像枪弹相同,假如光子在钠原子上发作“散射”,那么向右运动的钠原子在激光的效果下速度会越来越慢。细心说来,光子在钠原子上发作的并不是散射,而是光子将钠原子的电子激发到激发态,然后电子跃迁回来的时分会放出一个方向不确定的光子。在一段时间内,钠原子吸收的光子有特定方向,而放出的却没有,所以原子会被光束减速。这么,原子的动能有个和光子的能量有关的不确定性,这也给出了激光冷却能够得到的最低温度。

  假如你还没有意识到“速度变慢”和降温的联系的话,那么让我来提醒一下。咱们所说的温度,在物理学家看来,本来描述了构成物体的那些微观粒子的运动状态。粒子运动的平均速度越大,物体温度就越高,越小则温度越低。热力学温度里的绝对零度(即零下273.15摄氏度),就是当一切粒子运动速度为零时的温度。这是一个极限温度,没有任何人能够完成真实的绝对零度,但科学家正在朝着这个方向一步一步跨进,激光冷却技能就是其间的要害一步。当一团钠原子气体里的大多数原子被激光逐渐减速,气体对应的温度也越来越低,这么就完成了“降温”的进程。

  但你或许会问,怎样这么巧,纳原子刚好向着激光的方向运动,它不应该是五湖四海的吗?惹不起,还躲不起吗?

  高压钠灯的发射谱线

  需求这考虑到光和原子彼此效果的问题——并不是一切波长的激光都能够和原子彼此效果。原子内部的电子能级发作变化的时分,会放出或许吸收特定波长的光,这构成了原子的发射光谱或许吸收光谱。每一条谱线都是有必定的宽度,光波长越挨近吸收谱线的基地方位,激光就越简单影响原子,原子只会对这些特定颜色的光起反响,而对远离谱线方位的光视而不见。

  为了冷却一切的原子,咱们需求能够操控减慢哪些原子。关于向着激光运动的原子来说,咱们期望能减慢他们的速度,关于远离激光运动的原子来说,咱们不期望把它们推的越来越快。激光冷却技能的完成,得益于多普勒效应的存在。光波和声波都是动摇,当物体相关于动摇的源头运动的时分,它感遭到的波长和频率都会发作变化。向着咱们运动的火车宣布的鸣笛,听起来要比远离咱们运动的火车声调要高一些。相同,远离咱们运动的恒星宣布的光,在咱们看来要显得波长更长、频率更低一些。

  激光冷却原子的示意图,挑选激光的波长在原子谱线偏红(波长偏长)的一侧,这么能够完成原子的减速。

  这么,只要咱们将激光的波长挑选在原子谱线略微比基地方位的波长大一些的一侧,那么因为多普勒效应,向着激光运动的原子感遭到的波长会显得短一些(蓝移),因而效果激烈;而违背激光运动的原子感遭到的波长会更长一些(红移),因而不会遭到效果。这么,假如在前后左右上下六个方向都有一束激光的话,就能够确保把原子的速度降低下来。经过这种办法,科学家们能够将原子气体的温度降低到绝对零度之上不到千分之一度的低温。

5.激光冷却运用与新进展

  激光冷却超冷原子不只在科学试验中有主要学术价值,并且在高科技中也具有严重的运用前景。特别是关于玻色-爱因斯坦凝集态研讨、广义相对论的验证、原子频标和原子干涉仪研发等。

  2002年度的诺贝尔物理学奖,授予美国科学家维曼(CarlE.Wieman)、康奈尔(EricA.Cornell)和德国科学家克特勒(Wolfgang.Ketterle),赞誉他们在完成玻色-爱因斯坦凝集工作中做出的突出贡献。

  2003年,麻省理工与美国宇航局科学家联合进行的试验到达5x10^(-10)℃纳开尔文。

  2009年,德国波恩大学的研讨人员运用激光冷却,在几秒内使稠密的铷气便从350℃骤降至280℃。

  2014年,中国计量科学研讨院李天初和搭档们共同努力,将NIM5喷泉钟精确度到达2000万年不差一秒,被接纳为世界计量局认可的基准钟之一。这使中国变成第8个参加驾驭世界原子时的国家,在世界标准时间发生进程中不只拥有话语权,更具有了表决权。

  2015年,麻省理工学院科学家激光冷却钾钠气体分子,到达了5x10^(-7)℃。

  英国萨塞克斯大学官网称,该校物理学家运用微波辐射,将单个原子冷却到了绝对零度(-273.15摄氏度)附近。

  激光冷却和捕陷气体原子研讨已开展了30年,在各国试验室中激光冷却和捕陷气体原子已变成取得超冷原子的典型办法和技能。但新的激光冷却机制和软禁原子(分子)的办法仍有待探究。特别是微结构势阱中的激光冷却和软禁气体原子(分子)技能的研讨仍是当时研讨的要点课题。