激光可以冷卻原子和分子,、制備玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),、制作光鐘乃至進(jìn)行量子模擬——這已經(jīng)是一些實驗室里的家常便飯了。激光制冷不僅實現(xiàn)了宇宙中前所未有的低溫,，而且顯著地推動了精密測量技術(shù)的發(fā)展,，真是了不起的技術(shù)。關(guān)于這種技術(shù)的科普文章有很多,，連我這個外行也忽悠過一次,。

既然激光制冷這么熱門，有人就想著把它推廣到原子分子以外的體系里,，比如說固體或者液體——但我是不相信的，因為知道里面的難度,。這兩天看到個新聞,，美國科學(xué)家用激光把液體冷卻了20度[1]，我覺得太不可思議了,，就把文章[2]找了出來,?？赐暌院缶头判牧耍簺]錯，確實是忽悠,。

激光制冷固體的想法早就有了,，跟冷卻原子的道理是類似的：物體一邊吸收光、一邊發(fā)射光,，只要吸收的光子能量比放出的光子能量小,，物體就會自然而然地冷下去。為了實現(xiàn)這個目標(biāo),，原子靠的是多普勒效應(yīng),，而固體靠的是聲子（也就是晶格的振動）。固體吸收了光子之后,，如果能夠吸收一個聲子,、跳到更高的能級后再發(fā)射光子的話，總能量就降低了——光子悄悄的去了,，正如它悄悄的來,，只帶走了一朵云彩，oops,，一個聲子,。把固體冷卻了，再冷卻液體就簡單了,。把一小片固體扔到水里,，用激光來照射這塊固體，等固體冷了,，周圍的液體當(dāng)然也就冷了,。新聞里講的工作就是這么做的。

道理很簡單,，做起來很難,。如果想要激光來冷卻固體，激光就必須只做冷卻這件事,，其他啥事都不干,。也就是說，來一個光子,，固體就吸收一個,，而且立刻就有一個聲子來配合，把它變成能量更高的光子,，然后發(fā)射出去（這個過程有個專門的名稱,，叫作拉曼散射，更確切地說,，它是反斯托克斯拉曼散射,，anti-Stokes Raman scattering）,。可惜的是,，光子并非總這么友好,，固體并非總這么單純，聲子也不總是這么配合——世界這么大,，人人都很忙——有些人就不幸地忘掉了這些因素,。

激光冷卻液體這項工作的主要結(jié)果是[2]：波長1020nm、功率密度25MW/cm2的紅外激光把YLF晶體（2%Er和10%Yb摻雜,，尺寸略小于1微米）冷卻到室溫以下20度,。這塊小小的YLF晶體是懸浮在水里面的（利用了激光光鑷技術(shù)）。

這是不可能完成的任務(wù),，因為它違反了能量守恒定律,。

入射激光的波長是1020nm，出射的反斯托克斯光的波長是1000nm,，冷卻效率大概是5%（1?1000/1020=0.05）,。入射光功率 25MW/cm2×(1um)2=250mW。固體樣品的吸收長度大約是1厘米[3],，而其尺寸才1微米,，最多只能吸收0.01%也就是萬分之一的入射功率?？偟闹评涔β首疃嘁簿?.3uW（250mW×0.01%×5%=1.3uW）,。

假設(shè)固體樣品的溫度比室溫低20度，計算一下就可以得到樣品周圍的水傳遞熱的功率6mW/cm?deg×20deg/5um×4π×(5um)2=750uW,，其中,，水的熱導(dǎo)率是6mW/cm?deg，溫度梯度是20deg/5um,，水球的表面積是4π×(5um)2,。

750uW遠(yuǎn)大于1.3uW，顯然不可能有任何制冷效果,。注意,，我們壓根還沒有考慮反斯托克斯過程發(fā)生的幾率呢（估計連1%也到不了，也許連萬分之一都不到）,。夢想美好,，現(xiàn)實殘酷。

我認(rèn)為問題出在溫度測量上,。由于尺度太小了,，不可能用溫度計，溫度是間接測量的——通過測量小顆粒在水里的布朗運動來推斷的,。其實,，這是所有激光冷卻固體工作的通病，他們采用的都是間接方法來測量溫度（最常用的是光譜法）,。參考文獻(xiàn)[3]其實也有同樣的問題,，而且讓人奇怪的是，那里樣品的尺寸很大,，好幾個厘米,，完全可以用溫度計測量（比如說，電阻型溫度計）,，他們說制冷功率有幾十個毫瓦,，可還是擇了用光譜方法來推斷溫度?；仡^再看看1995年激光冷卻固體的Nature文章[4],，用間接法推斷溫度，沒有考慮吸收系數(shù)之波長依賴關(guān)系的影響,，輕率地打發(fā)了再吸收的影響,，至少可以說是讓人疑問重重。二十年過去,，彈指一揮間,，同樣的做事方法仍然在繼續(xù)，只是這次忽悠的更大了一些,。雖然沒有仔細(xì)分析過其他文章,，但我懷疑他們有著類似的問題。

在PNAS這篇文章里,，作者描述了很多細(xì)節(jié),，分析了很多因素，可是偏偏忘掉了樣品的吸收長度和周圍液體的導(dǎo)熱效率,。真是遺憾,，讓我們回憶朗道的話：

確定對研究現(xiàn)象的近似程度在理論研究中是非常重要的。最嚴(yán)重的錯誤是,，采用非常精確的理論并詳細(xì)計算所有的細(xì)節(jié)修正,，同時卻忽略了非常重要的物理量。

雖然這個教訓(xùn)針對的是理論研究,，但是同樣也適用于實驗科學(xué),。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華盛頓大學(xué)重大突破：首次實現(xiàn)用激光制冷液體

http://www./index/cnkepunews/kepunews/201511/t20151118_1925161.shtml

[導(dǎo)讀] 激光發(fā)明以來，從來沒有被用來冷卻液體,，目前華盛頓大學(xué)的研究人員在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破,，他們在現(xiàn)實條件下，實現(xiàn)了用激光冷卻水和其它液體,。

為了實現(xiàn)這項突破,，華盛頓大學(xué)研究團(tuán)隊使用了商業(yè)激光領(lǐng)域常見的一種材料,，但本質(zhì)上卻與激光現(xiàn)象相反。他們用紅外激光照射一個懸浮在水中的微小晶體,，激發(fā)出一種獨特的光線,，這個光線的能量比光吸收的能量要稍微多一點。

http:///news/2015-11-team-refrigerates-liquids-laser.html

http://www./releases/2015/11/151116181338.htm

[2] Roder et. al., Laser refrigeration of hydrothermal nanocrystals in physiological media, PNAS 2015 ; published ahead of print November 20, 2015, doi:10.1073/pnas.1510418112

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1510418112

[3] MelgaardSD, Seletskiy DV, Di Lieto A, Tonelli M, Sheik-Bahae M (2013) Optical refrigeration to 119 K, below National Institute of Standards and Technology cryogenic temperature. Opt Lett 38(9):1588–1590.

吸收長度的數(shù)據(jù)是這樣推斷出來的：樣品長度是1.2厘米,，激光在里面打了5個來回,，所以吸收長度應(yīng)該是厘米的量級。注意,，這篇文章里的樣品是5%Yb的YLF樣品,，而不是10%Yb+2%Er。這篇文章也被[2]引用了,。

[4] EpsteinRI, Buchwald MI, Edwards BC, Gosnell TR, Mungan CE (1995) Observation of laser-induced fluorescent cooling of a solid. Nature 377(6549):500–503.

樣品尺寸為2.5×2.5×6.9mm,，吸收峰值出現(xiàn)在980nm，在920nm和1010nm處下

降到峰值的大約10%,。

來源：姬揚科學(xué)網(wǎng)博客