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一文搞懂激光冷卻,或?qū)⑹侨祟愖钪匾募夹g(shù)突破

星之球科技 來源:網(wǎng)易2022-03-08 我要評論(0 )   

什么是激光冷卻?這是一種利用激光將氣體溫度降低到接近絕對零度的方法。激光冷卻的目的和背景是什么?當(dāng)時(shí)(20世紀(jì))的科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。玻色-愛...


什么是激光冷卻?

這是一種利用激光將氣體溫度降低到接近絕對零度的方法。

激光冷卻的目的和背景是什么?

當(dāng)時(shí)(20世紀(jì))的科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。玻色-愛因斯坦凝聚是一種現(xiàn)象,在這種現(xiàn)象中,許多被稱為“玻色子”的粒子在接近絕對零度的溫度下表現(xiàn)為相同形狀的波。

此外,為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性和超流體性,還需要使其溫度極低。

激光冷卻的細(xì)節(jié)是什么?

如上所述,激光冷卻的目的是降低氣體的溫度。首先,什么是溫度?從微觀上講,它是組成氣體的粒子運(yùn)動的強(qiáng)度。運(yùn)動越劇烈,溫度就越高。運(yùn)動越平靜,溫度就越低。因此,“降低溫度”就相當(dāng)于“盡可能地停止組成氣體的粒子的運(yùn)動”。

那么,我們怎樣才能盡可能地停止運(yùn)動呢?正如你可以從“激光冷卻”的名字中看出的,它涉及到用激光照射粒子。下面,我們將特別討論原子的冷卻問題。


如圖所示,激光從上、下、前、后、左、右六個(gè)方向照射到待冷卻的原子。換句話說,這六個(gè)是xyz軸的正負(fù)方向。

那么什么是激光呢?激光器是波長一致的光。為什么要使波長相同??因?yàn)樵佑刑囟ǖ牟ㄩL,很容易被吸收。原子并不是吸收任何波長的波。

這里的關(guān)鍵點(diǎn)是,被照射的激光的波長應(yīng)該比容易被目標(biāo)原子吸收的波長稍長一些。為什么?這是因?yàn)槟繕?biāo)原子在移動。那他們移動有什么問題?


原子也具有波的性質(zhì)。正如你從多普勒效應(yīng)中看到的,相對的波的波長被認(rèn)為更短。

假設(shè)我們準(zhǔn)備了“適合”的波長,很容易被目標(biāo)原子吸收。然后,如上圖所示,在波面移動的原子會感到波長比那個(gè)波長短。因此,激光不會被充分吸收。這就是為什么我們用稍微長一點(diǎn)的波長照射激光束,這樣運(yùn)動的原子就能很好地吸收它。

如果它向相反的方向移動呢?


這不是問題。因?yàn)榧す馐鴱牧鶄€(gè)方向發(fā)射,它們將控制原子在相反方向的運(yùn)動。


此外,后向的激光束不會使物體加速。這是因?yàn)榧す獠晃仗囟úㄩL以外的波。在向同一方向運(yùn)動的波的情況下,多普勒效應(yīng)使波長看起來比實(shí)際長。

原子的原始動量和被輻射的光的動量之間存在守恒定律。因此,目標(biāo)原子的運(yùn)動是平靜的。

1997年諾貝爾物理學(xué)獎被授予朱棣文、克勞德·科恩·塔努吉和威廉·D·菲利普斯,以表彰他們利用激光冷卻和捕獲原子的方法。


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