激光制冷的发展、应用及其它制冷技术
首先,量子力学提出,原子只能吸收特定频率的光子,从而改变其动量。多普勒效应指出,波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。同样,对于原子也是如此,当原子的运动方向与光子运动相反时,则此光子的频率将增大,而当原子运动方向于此光子运动方向相同时,则此光子频率将减小。然后的话,另一个物理学原理就是光虽然没有静质量,但其具有动量。那么综合以上几个个物理学特性,我们就能构建出激光冷却的简单模型。
激光器的频率在一定范围内是可调的,而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率时,就会有意想不到的结果。当用这样一束光照射某一特定的原子时,就会发生这样的情况。如果原子是向着激光束运动时,由于光的多普勒效应,则光子的频率增加,而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率,则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。而这一吸收表现为动量改变。因为光子的运动方向与原子的运动方向相反,则在光子与原子碰撞之后,原子跃迁到激发态,并且动量减小,故动能也随之减小。而对于其他运动方向的原子,则其对应的光子的频率不会增加,所以不能吸收激光束中的光子,所以也不会有动量增加这一现象的发生,相对于动能来讲也是一样。当我们用多束激光从不同角度来照射原子,则在不同运动方向上的原子的动量都会减小,从而动能减小。而由于在激光只减小原子的动量,所以在此过程持续一段时间后,大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准,从而达到制冷的目的。
但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却,而对于分子,这种方法很难将其冷却到超低温。但超冷分子比超冷原子的意义更大,因为其属性更为复杂。目前,冷却分子的方法是将超冷碱原子结合在一起,产生双碱分子。不久之前,耶鲁大学就曾经将氟化锶(SrF)冷却到几百微开。
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