把原子“藏起來”?這個大膽的想法,成功刷新原子低溫紀錄

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隨著原子所能冷卻的溫度不斷降低,物理學家們已經(jīng)突破了“多普勒冷卻極限”,并且逐步逼近“亞多普勒冷卻極限”。要想進一步冷卻原子,還要克服更多的問題。比如,原子與激光光束之間的散射相互作用,以及自發(fā)輻射過程中光子的反沖效應,均有可能會導致原子處于隨機行走狀態(tài),讓原子很難徹底“安靜”下來。

也就是說,這些好不容易冷卻到近乎靜止狀態(tài)的原子,會在光子的反沖作用下再次加熱,從而達到“激光冷卻-反沖加熱”之間的動態(tài)熱平衡。

那么,難道說原子所能達到的最低溫度只能是“亞多普勒冷卻極限”嗎?

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圖一:氦原子(圖庫版權圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權糾紛)

01 一個大膽的想法:把原子“藏起來”

當然不是,物理學家們提出了一個大膽的想法:為何不將這些好不容易冷卻下來的原子直接“藏起來”,從而避免與激光光束再次發(fā)生散射相互作用?這樣一來,原子就有機會真正地“冷靜”下來,而不會被光子的反沖作用再次加熱了。

為了驗證這個大膽的想法,物理學家們提出了“速度選擇的相干布局囚禁(Velocity Selective Coherent Population Trapping, VSCPT)”這種頗具創(chuàng)意的實驗方案。借助這種實驗方案,物理學家們就可以讓速度幾乎為零的原子進入“暗態(tài)”,從而避免原子與激光光束發(fā)生散射相互作用,并且最終突破了“亞多普勒冷卻極限”!

02 將原子藏在哪里?藏在“暗態(tài)”里

顧名思義,這里的“暗態(tài)”就是指原子處于某一個無法與激光相互作用的特定基態(tài)。為了幫助各位讀者更好地理解“原子是如何轉(zhuǎn)移到‘暗態(tài)’的”這一過程,我們考慮一個最簡單的微信圖片_20240909104432.png型三能級原子模型:

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圖3三能級原子進行特定躍遷的示意圖

(圖片來源:作者自繪)

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圖4 三能級原子進行自發(fā)輻射的示意圖

(圖片來源:作者自繪)

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圖5 三能級原子最終轉(zhuǎn)移到“暗態(tài)”的示意圖

(圖片來源:作者自繪)

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03 刷新原子的低溫紀錄——突破“亞多普勒冷卻極限”!

俗話說,只有想不到,沒有做不到。

為了驗證上述這種大膽想法,法國巴黎高等師范學院的克洛德·科昂·搭努吉研究小組在1988年提出了一種名為“速度選擇性的相干布局囚禁”的實驗方案,并且成功將氦原子(4He)進一步冷卻到大約2微開爾文(即10-6 K)的超低溫度。

作為對比,氦原子的“多普勒冷卻極限”為23 微開爾文,而理論上氦原子的“亞多普勒冷卻極限”約為4微開爾文。也就是說,該研究小組刷新了當時氦原子冷卻的低溫紀錄,這標志著物理學家們在實驗上突破了“亞多普勒冷卻極限”。

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圖6 氦原子

(圖庫版權圖片,轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權糾紛)

也許會有讀者在思考,上述的“速度選擇性的相干布局囚禁”實驗方案,如何體現(xiàn)出所謂的“速度選擇性”呢?

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圖7 處于靜止狀態(tài)的氦原子躍遷示意圖

(圖片來源:作者自繪)

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圖8 處于運動狀態(tài)的氦原子躍遷示意圖

(圖片來源:作者自繪)

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在理論上,只要選擇精確地調(diào)節(jié)兩束激光的頻率等參數(shù),就可以將原子冷卻到平均速度很小的運動狀態(tài)。隨著原子與激光的相互作用時間的延長,原子就有可能不斷地降低溫度直至絕對零度。

04 眾望所歸的榮譽——1997年諾貝爾物理學獎

對于執(zhí)著探索低溫極限的物理學家們而言,并不滿足只將原子冷卻到μK量級。他們希望將原子的低溫極限進一步推到nK(納開,即10-9 K )量級,從而進一步刷新原子冷卻的低溫記錄。

于是在1995年,C Cohen-Tannoudji研究小組再次利用“速度選擇性的相干布局囚禁”實驗方案,首次成功將氦原子團的三維運動方向上的溫度冷卻至大約180 nK。隨后在1997年,該研究小組又提出了一種全新的溫度測量方案,能夠直接地測量經(jīng)過冷卻后的氦原子溫度。測量結(jié)果表明,采用“速度選擇性的相干布局囚禁”方案冷卻后的氦原子,其最低溫度為大約5 nK。

正是憑借著探索原子冷卻極限的突出貢獻,法國物理學家C Cohen-Tannoudji也在1997年獲得了諾貝爾物理學獎,并且獲得了當年諾貝爾物理學獎1/3的獎金。

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圖9 激光冷卻技術方案的發(fā)展歷程圖(圖片來源:參考文獻4)

結(jié)語

綜上所述,物理學家們憑借著豐富的想象力和精巧的實驗方案,將原子的冷卻極限從最初的mK量級降低至μK量級,并且最終達到了nK量級的超級低溫。

那么對于具有大量原子數(shù)目的原子系綜,在低溫狀態(tài)下是否也會發(fā)生與宏觀世界類似的“凝聚現(xiàn)象”呢?其實,這個科學猜想同樣也被百年前的兩位偉大的物理學家(阿爾伯特·愛因斯坦和S·N·玻色)所討論過呢。

接下來,請讀者思考一下這個百年前的科學猜想能否實現(xiàn),并且?guī)е闷嬖谙乱黄恼轮泄餐议_謎底吧!

作者:欒春陽 清華大學物理系博士

審核:羅會仟 中國科學院物理研究所研究員

出品:科普中國

參考文獻

[1] (VSCPT)Aspect A, Arimondo E, Kaiser R, et al. Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity-selective coherent population trapping[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(7): 826.

[2] (C Cohen-Tannoudji, 1995-氦原子團-180 nK)Lawall J, Kulin S, Saubamea B, et al. Three-dimensional laser cooling of helium beyond the single-photon recoil limit[J]. Physical review letters, 1995, 75(23): 4194.

[3] (C Cohen-Tannoudji, 1997-一維氦原子團-5 nK)Saubaméa B, Hijmans T W, Kulin S, et al. Direct measurement of the spatial correlation function of ultracold atoms[J]. Physical review letters, 1997, 79(17): 3146.

[4] 莊偉, 李天初. 激光冷卻和操控原子: 原理與應用[J]. 科技導報, 2018, 36(5): 28-38.

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評論
清風徐來愛科普
庶吉士級
這項研究不僅是一項重大的科學成就,更是未來科學研究和技術應用發(fā)展的一個重要里程碑。它有望引領我們進入一個全新的科學探索和技術創(chuàng)新時代。
2024-09-10
新風科普????
學士級
科學家們把原子凍到幾乎靜止,這不僅是技術上的“冰點”,更是探索宇宙奧秘的“沸點”。這冷得讓人熱血沸騰的成就,讓我們對科學的未來充滿無限遐想。
2024-09-10
沖沖
大學士級
這些實驗通常在高度控制的實驗室條件下進行,需要復雜的設備和技術來實現(xiàn)。這些實驗的成功展示了人類在探索和操縱自然界基本粒子方面的非凡能力!
2024-09-10