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激光冷却囚禁原子并进行操控

导读: 利用激光冷却并囚禁原子的技术,是物理学家获得冷原子的经典方法。这是人类有史以来第一次操控微观粒子。

  如果有一支原子军队的话,陈帅无疑能够担任这支队伍的首席指挥官。这位34岁的中国科技大学量子工程中心的教授,每天的工作就是把这些“看不见摸不着”的原子,“当玩具一样摆弄”。

     “我就像个导演,可以指挥原子做水平运动,或是原地转个圈。如果需要的话,还能让它像蜜蜂那样跳一段‘8’字舞。”年轻的教授饶有兴味地解说道。 

     利用激光冷却并囚禁原子的技术,是物理学家获得冷原子的经典方法。这是人类有史以来第一次操控微观粒子。 

     7月底,陈帅应邀前往澳大利亚参加第22届国际原子物理学会议。他惊讶地发现,会上提交的议题差不多都跟冷原子有关。有的用冷原子做精密测量,有的测量基本常数,有的测算时间,还有人提出用冷原子模拟凝聚态物理。 

     “冷原子好热啊。”陈帅感叹道。在他看来,假如人类尚未发现这项技术,恐怕当代物理学的很多研究都将停滞不前。 

     捉住原子,再囚禁起来 

     启动激光器之后,陈帅紧盯着真空腔里的变化。不到1秒钟的时间,面前闪现出一个不易察觉的圆点。它像正在充气的气球那样急速膨胀,最终形成一个直径5毫米的暗红色小球。“可以数数了。”陈帅自言自语道。这团小球里大约汇聚了10亿个铷原子。陈帅决定把其中一部分“抓”出来,“囚禁”在光晶格里。 

     与科技史上一些伟大的发现一样,捕捉冷原子的技术也是一次意外的收获。 

     “最初科学家们只是想获取更精确的时间。”在讲述这段科学史的时候,陈帅掏出他的诺基亚手机摆在桌子上,“现在年轻人习惯用手机计时,实际上这和过去钟表计时相比,其原理都是一样的。” 

     学过中学物理的人都知道,物体都在以一定的频率振荡,通过振荡频率,就知道时间的长短。最简单的例子是单摆,如果摆动一次是一秒钟,在特定条件下摆动100次就是100秒。但这种计时方法只能精确到秒。后来,科学家们发现,在零磁场的情况下石英晶体会发出固定的振荡脉冲,每振荡约3.2万次就是1秒,这样就有了石英表,通常可以精确到十万分之一秒。 

     “人们永远都想测得更准。”陈帅说。后来科学家发现,铯原子跃迁发出的电磁波频率,比其他物质更为准确。在1963年召开的第13届国际计量大会上,科学家们给时间下了一个定义,即铯原子Cs-133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。这个标准一直沿用至今。 

     但原子的无规则热运动却成了精密测量的巨大障碍,有些原子在常温下的速度高达到数百米每秒。只有让原子飞得慢点,甚至把速度降到零,才可能把时间数准。而唯一的办法就是让原子的温度趋近于绝对零度(-273.15摄氏度),成为冷原子。 

     “给原子降温可不是一件容易的事啊。”陈帅笑着举例,对人类来说,0摄氏度的冰已经够冷了,但是在原子看来还有273.15摄氏度的高温。液氮是-196摄氏度,在这个温度下,空气都变成了液态,但对原子来说,温度才降到常温的1/4。 

     100多年前,人们就制造出-269摄氏度的液氦,此温度下,金属的电阻都会消失,出现超导现象。可是对原子来说,虽然凉快多了,也还不够冷。传统低温技术可以制冷到10-3开尔文,冷是很冷了,但此时大部分物质都变成了固体,无法保持观测原子所必须的气态。 

     直到1975年,德国物理学家汉斯提出了一个设想,可以用激光降低原子的动能,从而给原子制冷,这就像以喷水的方式来使一个行进中的小球静止下来,让它悬浮在空中,任由人们看个明白。 

     汉斯因提出并开发飞秒光梳来进行频率测量的技术而获得2005年诺贝尔物理学奖。尽管他并没有用实验印证自己当年的设想,但这个想法也被视为其一生中最伟大的成就。 

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