專家談激光制冷

先熟悉空調(diào)或冰箱的工作原理：先用壓縮機(jī)把工作介質(zhì)（以前是氟利昂,，現(xiàn)在改用其它工作氣體）壓縮，即對(duì)氣體做功,，使氣體溫度升高,，把熱量傳遞給外界，這樣就得到了被壓縮的工作氣體,；接下來(lái),，切斷壓縮氣體與外界的熱接觸，讓壓縮氣體突然膨脹,，它就會(huì)對(duì)外做功,，從而降低了自己的溫度；然后讓降溫后的工作氣體與需要冷卻的物體之間建立良好的熱接觸,，物體的溫度就下降了,。這時(shí)介質(zhì)氣體溫度將上升，再斷開(kāi)工作氣體與待冷卻物體之間的熱接觸,，啟動(dòng)壓縮機(jī)開(kāi)始新一輪循環(huán),。

激光是單色光，它的方向性,、相干性都非常好光,，而普通光都是非相干光。無(wú)論是相干光還是非相干光,，它們都是光源物質(zhì)粒子由高能量狀態(tài)躍變到低能量狀態(tài)時(shí)發(fā)出的光子,，但它們?cè)诎l(fā)射光子的節(jié)奏上有巨大差別：產(chǎn)生非相干光光源的原子處于無(wú)序狀態(tài)，發(fā)出的光不僅波長(zhǎng)不同,，方向性各異,，而且相位也不相同；單色光光源的粒子行為是一種有序狀態(tài),，即所謂的“在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”,，可以一起發(fā)光。所以，激光不僅波長(zhǎng)單一,、方向一致,，就連步調(diào)都是一模一樣的，光子行為都和觸發(fā)激射的那個(gè)光子一樣（受激輻射的光放大過(guò)程）,。

激光制冷的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有些難,，但它的工作原理并不復(fù)雜。氣體是由大量的原子（或分子）構(gòu)成的,，它們之間的相互碰撞會(huì)引起運(yùn)動(dòng)方向的改變,。氣體環(huán)境的溫度是這些原子的平均速度的反映，平均速度越快,，環(huán)境溫度就越高,。因此，要冷卻氣體,，可以設(shè)法降低原子的平均速度,。但是，如果采用一般方法降溫,，由于原子間存在相互作用,，當(dāng)原子速度越來(lái)越慢的時(shí)候，它們就彼此抱團(tuán)變成了液體,，進(jìn)而變成了固體?，F(xiàn)在對(duì)液體和固體的降溫最低也只能降低到1mK左右（絕對(duì)零度以上的千分之一度），而絕對(duì)零度指的是所有粒子全都一動(dòng)不動(dòng)的理想狀態(tài),?？茖W(xué)家們總是總是希望得到更低的溫度，比如說(shuō)萬(wàn)分之一度,，甚至百萬(wàn)分之一度,。辦法就是分而治之，把原子氣體放在非常稀薄的真空里,，原子的數(shù)目非常少,，彼此之間的距離遠(yuǎn)，它們產(chǎn)生相互聯(lián)系的概率低,。激光冷卻就是把一個(gè)一個(gè)原子的速度降下來(lái),，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)也冷下來(lái)。

原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的,，有其內(nèi)部的自由度,。原子既可以吸收光，也可以發(fā)射光,，這兩種過(guò)程分別對(duì)應(yīng)著原子里的電子跳到更高能量狀態(tài)（吸收能量）或者從高能量狀態(tài)跳下來(lái)（放出能量）,。對(duì)于特定的原子,，它只能夠吸收和發(fā)射特定波長(zhǎng)的光（躍變能為E₀）?？紤]一個(gè)原子，我們用激光照射,。由于激光光子的能量要比原子的躍變能E₀小一點(diǎn),，原子吸收這個(gè)光子將損失一點(diǎn)動(dòng)能。也就是說(shuō),，迎著光前進(jìn)的原子只有頻率增大（多普勒效應(yīng)）才能滿足吸收所需要的能量條件,。當(dāng)原子吸收了光子以后，它的總能量變大了,，但它早晚還要發(fā)出光子,、重新回到低能量的狀態(tài)。由于吸收的光子來(lái)自于一個(gè)固定的方向,，而發(fā)射的光子則跑向四面八方（自發(fā)輻射）,，平均下來(lái)，經(jīng)過(guò)一次吸收-發(fā)射過(guò)程,，原子就要損失掉一點(diǎn)速度,，經(jīng)過(guò)很多次以后，原子速度就降為零了,。從總體上看,，原子運(yùn)動(dòng)的方向是無(wú)序的，實(shí)驗(yàn)上可以從三個(gè)方向來(lái)減小原子的運(yùn)動(dòng)速度,，用六束激光彼此垂直,、兩兩相對(duì)地照射在一個(gè)很小的區(qū)域上，從前后,、左右,、上下所有方向徹底封住原子的去路，形成一個(gè)原子數(shù)目很多,、原子運(yùn)動(dòng)速度極慢的“光學(xué)黏團(tuán)”（就像一團(tuán)粘糊糊的糨糊似的）,。這種子方法可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)溫標(biāo)萬(wàn)分之一度的低溫環(huán)境，采用更精密措施還可以達(dá)到更低的百萬(wàn)分之一度或更低的溫度,。激光冷卻的速度非?？欤坏揭幻腌娫泳蛷氖覝亟档偷接钪嬷星八从械牡蜏亓?，相當(dāng)是一眨眼就可以使小火爐變冰棍,。

利用激光制冷的原子，可以做成最準(zhǔn)確的時(shí)鐘,，相對(duì)誤差只有10^-17的時(shí)鐘,，也就是說(shuō),，如果用這塊表從宇宙誕生的那一刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，那么到現(xiàn)在的誤差也不過(guò)只有幾秒鐘而已,。利用這么精準(zhǔn)的時(shí)鐘,，我們甚至可以檢驗(yàn)物理規(guī)律是否隨著宇宙的演化而發(fā)生變化。

原子的激光制冷相對(duì)比較簡(jiǎn)單,，分子就比較難一些,，液體和固體就更難了，因?yàn)楹笳叩慕M分之間有著很強(qiáng)的相互作用?，F(xiàn)在,，人們還只能利用激光冷卻技術(shù)冷卻一些原子啦、分子啦,，最多也不過(guò)冷卻一個(gè)幾十微米大的小鏡子（大約包含了10¹⁴個(gè)原子）,。有些科學(xué)家正在研究用激光來(lái)冷卻大塊材料的方法。