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原子激光器即将诞生,还是可永久使用的

激光制造网 来源:老one整理2022-06-21 我要评论(0 )   

《激光制造网》小编了解到,6月8日,来自荷兰阿姆斯特丹大学的科学家团队在《Nature》上刊发了一篇题为《Continuous Bose–Einstein condensation(连续玻色-爱因斯坦凝...

《激光制造网》小编了解到,6月8日,来自荷兰阿姆斯特丹大学的科学家团队在《Nature》上刊发了一篇题为《Continuous Bose–Einstein condensation(连续玻色-爱因斯坦凝聚)》的研究论文。论文称,他们的实验是具有全反射腔镜的 CW 光学激光器的物质波模拟。这种原理验证演示提供了一种新的、迄今为止缺失的原子光学器件,从而能够构建连续的相干物质波器件。

 

 

“激光如此特别的原因在于它使用相干光波——激光内的所有光都完美地同步振动。而量子力学又表明,像原子这样的粒子也应该被认为是波。因此,我们可以构建包含相干物质波的原子激光器。”科学家科普道,可问题是,能否使这些物质波持续存在,以用于应用呢?他们的研究肯定地回答了这一问题。

玻色-爱因斯坦凝聚形成的原理

自然界中的基本粒子类型有两种:费米子和玻色子。费米子是像电子和夸克一样的粒子,是构成物质的基石。玻色子的性质则不同,它不像费米子那样坚硬,而是柔软的,它们可以毫无阻隔地相互穿过。玻色子最典型的例子就是光子。

但物质粒子也可以结合形成玻色子——事实上,整个原子的行为就像光粒子一样。玻色子可以同时处于完全相同的状态,也即是说,它们可以“凝聚”成一个连贯的波。当物质粒子发生这种类型的凝聚时,科学家们将产生的物质称为玻色-爱因斯坦凝聚。

而原子激光背后的概念便是所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体,简称BEC。

  

产生相干物质波的实验的中心部分。新的原子(蓝色)进入中心的玻色-爱因斯坦凝聚体

 

实现这点并不容易,原因是很难让原子都表现得像一个整体。温度是破坏同步性的罪魁祸首——当物质升温时,组成粒子便四处乱窜,几乎不可能让它们表现得像一个整体。只有在极低的温度下(零下 273 度),才有机会形成 BEC 的相干物质波。

原子激光器的诞生为什么这么难?

大约25年前,第一个玻色-爱因斯坦凝聚体是在物理实验室中制造出来的,这开启了制造原子激光器的可能性。原子激光器是可以真正输出物质光束的设备,但只能在很短的时间内发挥作用。激光可以产生物质波脉冲,但在发出这样的脉冲之后,必须先创建一个新的BEC,然后才能发出下一个脉冲。

事实上,在科学家们制造出连续激光器之前,普通的光学激光器也被制成脉冲变体,在六个月之后,第一台连续激光器也被生产出来了。尽管光学的发展如此迅猛,但原子激光器的诞生,还是耗费了超过25年……

问题出在哪里?

问题就出在BEC非常脆弱!当光线照射它们时,它们当即被摧毁。然而,光的存在对于形成冷凝效应至关重要:要将物质冷却到百万分之一度,需要使用激光冷却其原子。因此,BEC只能短暂的爆发,无法连贯地维持。

如何创建连续玻色-爱因斯坦凝聚?

而现在,荷兰阿姆斯特丹大学的科学家团队已成功解决了创造连续玻色-爱因斯坦凝聚体的难题。

团队负责人 Florian Schreck 解释个中诀窍:“在之前的实验中,原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的,而在我们的实验中,我们决定不随着时间的推移,而是在空间中分散冷却步骤——我们让原子在通过连续的冷却步骤时移动。最后,超冷原子到达了实验的核心,在那里它们可以用来在 BEC 中形成相干物质波。在使用这些原子的同时,新的原子已经在补充 BEC的路上。通过这种方式,我们可以让这个过程持续下去——甚至是永远持续下去。”

在解决了创建连续玻色-爱因斯坦凝聚这一关键问题后,研究人员下一个目标是:使用激光来产生稳定的输出物质束。一旦他们的激光器可以永久运行,且能产生稳定的光束,就再也没有什么能阻挡技术应用的道路了,原子激光器可能会开始在技术中发挥与普通激光器同等重要的作用。

 

参考文献:Chun-Chia Chen、Rodrigo González Escudero、Jirí Minár、Benjamin Pasquiou、Shayne Bennetts 和 Florian Schreck 撰写的“连续玻色-爱因斯坦凝聚”,2022 年 6 月 8 日,《Nature》。

论文网址:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04731-z

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