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    夏至已至!分享一波激光防暑降温神技能!

    发布时间:2018-06-21

    不知不觉已进入酷热的夏季,很多人都会觉得“我的命是空调给的”。众所周知,激光打标,激光切割,激光焊接等激光加工技术早已应用在空调行业,才生产出空调这种造福人类的产品!



        不过今天的主题不是歌颂激光应用在空调上的技术,而是聊聊科学家们最关心的激光降温。


        提到激光,我们首先想到的是光盘光驱、激光笔、商品条形码、激光笔等生活应用。大家一向认为激光具有很高的能量,激光往往是灼热和明亮的代言词:激光笔有可能伤到眼睛;在皮肤医院里,激光被用来“烧”掉人们身上的纹身;在工厂生产中,激光能够用来切割金属。


    那激光能用来降温吗?    

    答案是:能!


        知道吗?激光冷却固体有个炫酷的别称是“光学冰箱”,在1929年由德国物理学家彼得·普林斯海姆提出。通过利用激光冷却技术,科学家们能够获得仅仅比绝对零度高出不到千分之一度的低温,超级厉害!



     什么叫做绝对零度呢?


        我们知道,日常生活中经常需要用到降温手段,在工业生产里面,降温更是至关重要。常用的空调或者冰箱并不能够将温度改变太多,最多也就能够达到零下几十摄氏度的样子。


        然而,在很多科学研究工作中,科学家需要非常低的温度,需要更多不同的降温措施。比如说研究超导体,就往往需要在接近绝对零度的温度下进行测量和研究。这些一般是通过和液氮(77K,零下196摄氏度)或者液氦(4.2K,约零下269摄氏度)相接触来将实验的系统保持在那么低的温度,或者通过和稀释制冷机相接触来获得仅仅比绝对零度高几个毫K(千分之一度)的温度。


        更进一步,在关于冷原子气体的研究中,需要用非直接接触的方法获得比这些还要更接近绝对零度的温度。


        1985年,美国斯坦福大学的朱棣文教授(现任美国能源部部长)等人首先利用激光冷却技术将钠的原子气体冷却到了240微开尔文的温度(仅比绝对零度高出一百万分之二百四十度)。


        所以,激光在降温上是不是帮了科学家一个大忙呢?必须点赞!


        看到这里,也许有人不服气,到底激光是利用什么原理降温呢?



        首先,大家可以想象一个战争的场面。失控的战车冲向战壕,战壕里的战士向战车不断开枪,子弹击中战车并弹向四面八方。如果仔细看战车的速度,我们会发现由于子弹的撞击,战车的速度会越来越小,激光冷却原子便是相似的过程。


        如下图显示,激光器发出的光子就像子弹一样,如果光子在钠原子上发生“散射”,那么向右运动的钠原子在激光的作用下速度会越来越慢。“散射”是指光子将钠原子的电子激发到激发态,电子跃迁回来时会放出一个方向不确定的光子。在一段时间内,钠原子吸收的光子有特定方向,而放出的却没有,所以原子会被光束减速。这样,原子的动能有个和光子的能量相关的不确定性,也给出激光冷却能够得到的最低温度。


     

        我们所说的温度,在物理学家看来,其实描述了构成物体的那些微观粒子的运动状态。粒子运动的平均速度越大,物体温度就越高,越小则温度越低。


        你也许会问,怎么这么巧,纳原子刚好向着激光的方向运动,它不应该是四面八方的吗?惹不起,还躲不起吗?


    高压钠灯的发射谱线


        没错!为了冷却所有的原子,我们需要控制原子速度。如向着激光运动的原子,我们希望能减慢他们的速度,对于远离激光运动的原子,我们却不希望把它们推得越来越快。


        激光冷却技术的实现,还得感谢多普勒效应的存在。光波和声波都是波动,当物体相对于波动的源头运动的时候,它感受到的波长和频率都会发生变化。比如向着我们运动的火车发出的鸣笛,听起来要比远离我们运动的火车声调要高一些。同样道理,远离我们运动的恒星发出的光,在我们看来要显得波长更长、频率更低一些。


    激光冷却原子的示意图


        选择激光的波长在原子谱线偏红(波长偏长)的一侧,这样可以实现原子的减速。这样,只要我们将激光的波长选择在原子谱线略微比中心位置的波长大一些的一侧,由于多普勒效应,向着激光运动的原子感受到的波长会显得短一些(蓝移),因此作用强烈;而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些(红移),因此不会受到作用。这样,如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的话,就可以把原子的速度降低下来。


        通过这种方法,科学家们可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上不到千分之一度的低温。


        今天大致将激光降温讲个明白。其实激光冷却超冷原子不仅在科学实验中有重要学术价值,而且在高科技中也具有重大的应用前景,如图:



         激光冷却和捕陷气体原子研究已发展了30年,在各国实验室中激光冷却和捕陷气体原子已成为获得超冷原子的典型方法和技术。不过,新的激光冷却机制和囚禁原子(分子)的方法仍有待探索。特别是微结构势阱中的激光冷却和囚禁气体原子(分子)技术的研究仍是当前研究的重点课题。

           所以,科学家们加油喔!