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[关于激光冷却的两三件事]使用激光冷却

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-07-22 0:04:26 * 浏览: 1
激光冷却的固体也称为光学冰箱。这个概念是德国物理学家彼得·普林斯海姆(Peter Prinsheim)早在1929年提出的:1.绝对零度的要求我们知道,这类冷却方法在日常生活中经常使用。在工业生产中,冷却更为重要。常用的空调或冰箱的温度变化不会太大,最多只能达到零以下数十度。但是,在许多科学研究工作中,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的温度下进行测量和研究。通常是通过与液氮(77K,零下196摄氏度)或液氦(4.2K,约零下269摄氏度)接触以将实验系统保持在如此低的温度,或与稀释冰箱接触而获得的。仅比绝对零高几千分之一(千分之一)。此外,在冷原子气体的研究中,有必要使用间接接触方法来获得比这些温度更接近绝对零温度的温度。这需要激光的帮助。 2.用激光冷却吗?可能吗?关于激光,我们可能首先想到生活中的各种应用,例如CD-ROM驱动器,激光笔,商品条形码和指点笔。您可能还认为激光具有很高的能量,而在我们印象中的激光往往是炙手可热的认可:星笔可能会伤害眼睛,在皮肤病医院,激光习惯于“灼伤”人的纹身。身体,在一些工厂中,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,科学家可以获得的低温仅比绝对零值高出千分之一度。物理学中常用的温度标准称为绝对温度,单位为开尔文(K)。一开尔文等于一摄氏度。绝对零(0K​​)为-273.15摄氏度,室温约等于300开尔文。请记住,我们只能尽可能接近绝对零,而不能达到它。 1985年,斯坦福大学的朱迪文教授(现任能源部长)等人首先使用激光冷却技术将钠的原子气体冷却至240微开尔文的温度(仅比绝对零值高100万分之一)。 440度)。朱Di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相交区域中。这种捕集类似于粘性液体中颗粒的布朗运动。由于阻尼力,原子的运动非常缓慢,每厘米扩散需要1秒。在没有光场影响的情况下,原子扩散1 cm仅需20毫秒。因此,这种捕获效果被称为“光学胶”。钠原子气体的实验测量温度为240mu,K,测量结果与理论预测相符。当时的工作模式1997 1997年,朱迪文与法国巴黎高等师范学院的克劳德·科恩·坦努吉教授以及美国国家标准局的威廉·菲利普斯教授共同获得了诺贝尔物理学奖。 3.原理是什么?您可以想象战争现场。失控的坦克冲进战es,战in中的士兵不断向坦克开火。子弹击中坦克并向各个方向反弹。如果仔细观察坦克的速度,我们会发现由于子弹的影响,坦克的速度会越来越小。原子的激光冷却是类似的过程。如上图所示,激光发出的光子就像子弹。如果光子散布在钠原子上,则在激光的作用下,向右移动的钠原子会越来越慢。仔细地说,光子不是散射在钠原子上,而是光子将钠原子的电子激发到激发态,然后当电子迁移回来时,它将发射出不确定方向的光子。在一段时间内,光能被sodiu吸收m个原子具有特定的方向,但发射的原子没有特定方向,因此原子将被束减速。以此方式,原子的动能具有与光子的能量有关的不确定性,这也给出了可通过激光冷却获得的温度。如果您尚未意识到速度较慢和散热之间的关系,请让我提醒您。在物理学家眼中,所谓的温度实际上描述了构成物体的微观粒子的运动状态。粒子运动的平均速度越高,物体的温度越高,温度越低则越小。热力学温度的绝对零(即负273.15摄氏度)是所有粒子在零位置运动的温度。这是一个极端的温度,没有人可以达到真正的绝对零值,但是科学家正在朝着这个方向逐步发展,而激光冷却技术是关键步骤之一。当一组钠原子中的大多数原子被激光逐渐减速时,相应的气体温度越来越低,从而实现了冷却过程。但是您可能会问,纳米原子只是在激光方向上移动是多么偶然,不是应该在所有方向上移动吗?不能招惹,还是不能躲?高压钠灯发射线需要考虑到光与原子相互作用的问题,并不是所有波长的激光都能与原子相互作用。当原子内部电子的能级发生变化时,它会发射或吸收特定波长的光,该波长构成原子的发射光谱或吸收光谱。每条谱线都有一定的宽度。光的波长越靠近吸收​​线的中心,激光就越容易影响原子。原子只会对这些特定颜色的光做出反应,而忽略远离光谱线的光。 。为了冷却所有原子,我们需要能够控制减慢了哪些原子。对于希望朝着激光移动的原子,我们希望放慢它们的速度,对于希望远离激光移动的原子,我们不想将它们推得越来越快。激光冷却技术的实现得益于多普勒效应的存在。光波和声波都是波。当物体相对于波源移动时,它感觉到的波长和频率将发生变化。火车驶向我们的汽笛声比火车驶离我们的汽笛声高。同样,远离我们的恒星发出的光在我们看来具有更长的波长和更低的频率。激光冷却原子的示意图。选择激光的波长在原子光谱的红色(较长波长)侧,以便可以实现原子的减速。这样,只要我们在原子光谱那一侧选择比中心波长稍大的激光波长,原子向着激光移动时所感觉到的波长就会由于(激光)蓝移而变短(蓝移)。多普勒效应。因此,效果很强,原子离开激光的感觉波长会更长(红移),因此不会受到影响。以此方式,如果在前,后,左,右六个方向上都有激光束,则可以降低原子的速度。这样,科学家可以将原子气体的温度降低到比绝对零值高出千分之一度的低温。 4.激光冷却的应用和新进展超冷原子的激光冷却不仅在科学实验中具有重要的学术价值,而且在高科技领域具有广阔的应用前景。特别是对于玻色-爱因斯坦凝聚物的研究,广义相对论的验证,原子频率标准和原子干涉仪的发展。美国科学家卡尔·韦曼,康奈尔(Eric A. Cornell)和德国科学家沃尔夫冈·凯特尔(Wolfgang)获得了2002年诺贝尔物理学奖。凯特勒(Ketterle),赞扬他们在凝聚力工作中取得了玻色-爱因斯坦杰出贡献。 MIT和NASA科学家于2003年共同进行的实验达到了5x10 ^(-10)℃Na Kelvin。 2009年,德国波恩大学的研究人员应用激光冷却技术o在几秒钟内将稠密的gas气从350°C降至280°C。 2014年,中国计量科学研究院的李天初和他的同事们共同努力,使NIM5喷泉钟在一秒钟内达到2000万年的时间,它被国际计量局认可为基准时钟之一。 ?使我们的国家成为参与控制国际原子时间的第八个国家,在产生国际标准时间的过程中不仅拥有发言权,而且还拥有投票权。 2015年,麻省理工学院的科学家将钾和钠气体分子激光冷却到5x10 ^(-7)℃。英国萨塞克斯大学的官方网站指出,学校的物理学家使用微波辐射将单个原子冷却到接近绝对零(-273.15摄氏度)。激光冷却和捕获气体原子的研究已经发展了30年。在各个国家的实验室中,激光冷却和捕获气体原子已成为获得超冷原子的典型方法和技术。但是,仍需要探索新的激光冷却机制和捕获原子(分子)的方法。特别是在微结构势阱中激光冷却和捕集气体原子(分子)技术的研究仍是当前​​研究的重点。