激光制冷的发展、应用及其它制冷技术

2012-08-12 05:08

　　1988年初，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们发现，原子的温度约为40μK，比预计的多普勒极限240μK低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。之后，科学家们便作出了产生这一现象的理论解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。故而，人们将这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。

　　1989年，菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5μK。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。之后为了突破这一极限，法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁(VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping)和拉曼跃迁冷却(RamanCooling)的冷却方案。

　　2010年，科学家使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达到这样的低温。向控制物质化学物理过程，制造量子计算机迈进了一大步。

　　上世纪七八十年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。基本原理就是用激光作用在原子上使之减速。当原子被冷冻到接近绝对零度时，它们就会遵守特殊的量子力学定律。在与它们的低能级相应的状态下振动，这被用作超敏加速计和量子钟，原子本身也会粘在一起形成一种“超级原子”，这就是著名的“玻色—爱因斯坦凝聚”。