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[激光冷却两三件事]用激光冷却下来

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-09-10 1:05:26 * 浏览: 0
激光冷却固体也被称为光学冰箱,这一概念最初由德国物理学家彼得·普林斯海姆于1929年提出.I。绝对零需求我们知道在日常生活中经常需要这种冷却方法。在工业生产中,冷却更为重要。常用的空调或冰箱不能过多地改变温度,最多可以达到零下几十摄氏度。然而,在许多科学研究中,科学家需要非常低的温度,因此需要更多不同的冷却措施。例如,研究超导体通常需要在接近绝对零度的温度下进行测量和研究。这些通常通过使实验系统与液氮(77K,零下196摄氏度)或液氦(4.2K,大约零下269摄氏度)接触,或通过接触稀释冰箱来获得。比绝对零点高几毫秒(千分之一度)。此外,在冷原子气体的研究中,有必要通过间接接触获得接近绝对零度的温度,这需要激光来帮助。二,用激光冷却?可能吗?对于激光器,我们可能首先想到生活中的各种应用,例如光盘驱动器,激光笔,商品条形码和星形笔。你可能也认为激光有很高的能量。我们心中的激光往往是热烈而明亮的代言词:明星笔可能会伤害眼睛,在皮肤医院,激光被用来“烧人”身上的纹身,在一些工厂,激光甚至可以用来切割金属。激光可以用来冷却吗?能够。使用激光冷却技术,科学家们能够实现仅低于绝对零度的千分之一的低温。物理学中常用的温度标准称为绝对温度,单位为开尔文(K)。开尔文和摄氏单位是相同的。绝对零度(0K)为-273.15摄氏度,室温相当于大约300开尔文。请记住,我们只能尽可能接近绝对零,但不能。 1985年,美国斯坦福大学的朱西文教授(现为美国能源部)首先使用激光冷却技术将钠原子气体冷却至240微开尔文(仅比绝对零度高100万分) )。二百四十度)。朱希文进行的激光冷却实验是使用三对相互垂直的激光束进行的。在该光场中,原子不仅被粘性力冷却,而且还被梯度力捕获在光束交叉点中。这种囚禁类似于颗粒在粘性液体中以布朗运动方式移动的情况。由于阻尼力,原子的移动速度非常慢,每1厘米扩散需要1秒。如果没有光场,原子将在20毫秒内扩散1厘米。因此,这种囚禁被称为“光学胶水”。实验测得钠原子气体的温度为240μ,K,测量结果与理论预测一致。当时的工作模式1997年,朱一文与巴黎师范大学的Claude Cohen-Tannoudji教授和国家标准局的William D. Phillips教授分享了诺贝尔物理学奖。三,原理是什么?你可以想象一个战争场面。失控的战车冲向战壕,战壕中的战士没有打破枪支,子弹击中了战车并向各个方向反弹。如果仔细观察战车的速度,我们会发现由于子弹的撞击,战车的速度会变得越来越小,原子的激光冷却也是一个类似的过程。如上图所示,激光发射的光子就像子弹。如果光子散射在钠原子上,则在激光的作用下向右移动的钠原子将变得越来越慢。要小心,光子不会散射在钠原子上,但是光子会将钠原子的电子激发到激发态,然后电子跳回来发出一个方向不确定的光子。在一段时间内,钠原子吸收的光子具有特定的方向,但存在没有释放,所以原子被光束减速。因此,原子的动能具有与光子能量相关的不确定性,这也给出了激光冷却可以达到的最低温度。如果你不知道速度和冷却之间的关系,那么让我提醒你。物理学家认为,我们所谈论的温度实际上描述了构成物体的微观粒子的运动状态。颗粒运动的平均速度越高,物体的温度越高,温度越低,温度越低。热力学温度的绝对零度(即,零下273.15摄氏度)是所有粒子在零速度下移动的温度。这是一个极端的温度,没有人能达到真正的绝对零度,但科学家们正朝着这个方向一步步走,激光冷却技术是关键一步。当一组钠原子中的大多数原子被激光逐渐减速时,对应于气体的温度越来越低,从而实现冷却过程。但是你可能会问,纳米原子如何如此巧妙地向激光方向移动,它不应该在所有方向上吗?买不起,你买不起吗?高压钠灯的发射线需要考虑光和原子相互作用的问题,而不是所有波长的激光都能与原子相互作用。当原子内的电子能级发生变化时,发射或吸收特定波长的光,这构成原子的发射光谱或吸收光谱。每条线都有一定的宽度。光的波长越接近吸收线的中心,激光越容易影响原子。原子只会对这些特定颜色的光作出反应,但不会看到远离线条位置的光线。 。为了冷却所有原子,我们需要能够控制哪些原子减速。对于朝向激光器移动的原子,我们希望减慢它们的速度。对于远离激光运动的原子,我们不希望它们越来越快地推动它们。激光冷却技术的实现受益于多普勒效应的存在。光波和声波都在波动。当物体相对于波源移动时,它感觉到的波长和频率会发生变化。向我们的运动列车发出的哨声听起来比远离我们运动的火车的音调更高。同样地,我们认为来自远离我们的恒星的光线似乎越来越慢。激光冷却原子的示意图中,激光的波长选择在红色(长波长)原子线的一侧,从而可以实现原子减速。因此,只要我们选择原子线稍微大于中心位置波长的一侧的激光波长,原子向激光器移动所经历的波长就会变短(蓝移)。多普勒效应。因此,效果很强,远离激光运动的原子将经历更长的波长(红移),因此不会受到影响。这样,如果在前,后,左,右方向上存在激光束,则可以降低原子的速度。通过这种方式,科学家们可以将原子气体的温度降低到绝对零度以下的千分之一以下。四,激光冷却应用及新发展激光冷却超冷原子不仅在科学实验中具有重要的学术价值,而且在高科技方面也有很大的应用前景。特别是对于玻色 - 爱因斯坦凝聚研究,广义相对论的验证,原子频率标准和原子干涉仪的发展。 2002年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Carl E. Wieman,Eric A. Cornell和德国科学家Wolfgang。 Ketterle表彰他们对Bose-Einstein精神的认识,致力于在工作中做出的杰出贡献。 2003年,麻省理工学院和美国宇航局科学家进行的实验达到了5x10 ^( - 10)°C Nakhon。 2009年,德国波恩大学的研究人员应用激光冷却技术,在几秒钟内将致密氦气从350°C降至280°C。 2014年,中国计量科学研究院李天初和他的同事一起努力使NIM5喷泉时钟精确到2000万年,一秒钟,并被接受为国际度量衡局认可的参考时钟之一。让中国成为第八个参与控制国际原子时代的国家。在产生国际标准时间的过程中,它不仅有发言权,而且还有投票权。 2015年,麻省理工学院的科学家们将钾和钠气体分子激光冷却到5x10 ^( - 7)°C。苏塞克斯大学官方网站称,学校的物理学家利用微波辐射将单个原子冷却到接近零(-273.15摄氏度)。激光冷却和捕集气体原子研究已经发展了30年,国家实验室的激光冷却和气体原子捕获已经成为获得超冷原子的典型方法和技术。但是新的激光冷却机制和捕获原子(分子)的方法仍有待探索。特别是微结构井中激光冷却和捕集气体原子(分子)技术的研究仍是当前​​研究的热点。