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物理学家制造出了能够持续运作的相干原子激光器

近日,一组物理学家宣布,他们能够成功制造出一束与激光行为相同的原子束,而且理论上可以“永远”保持运行。尽管这项技术目前仍然存在重大的局限性,但最新的突破意味着它正在走向实际应用。

另外值得一提的是,对于“原子激光器”而言这将是一个巨大的进步。原子激光器是一束由原子组成的光束,以单一的波形式行进,未来有望用于测试基本物理常数和工程精密技术。

首个原子激光器是由麻省理工学院的一组物理学家在1996年发明的。其概念非常简单:就像传统的基于光的激光器是由与波同步运动的光子组成的一样,由原子组成的激光器在被打乱成光束之前,需要它们自身的波状特性来进行排列。

但这个科学概念的实现却并不容易。原子激光的开端是一种物质状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。BEC是通过将玻色子云冷却到绝对零度(约为-273.15℃)以上的一小部分而产生的。在如此低的温度下,原子会完全不停止地下沉到它们可能达到的最低能态。当它们达到这些低能量时,粒子的量子性质就不再相互干扰;它们彼此靠得很近,产生了一种类似于“超级原子”或物质波的高密度原子云。

不过,BECs却有点自相矛盾——它们非常脆弱,即便是光也能对其造成破坏。所以即便是用光学激光器冷却BEC中的原子,BEC的存在也是短暂的。

迄今为止,科学家们成功研制出的原子激光器都是脉冲型的,而不是连续型的;在产生新的BEC之前,只需要发射一个脉冲。而为了创造持续的BEC,荷兰阿姆斯特丹大学的一组研究人员进行了新的设置,他们决定不依据时间来扩展冷却步骤,而是依据空间——让原子在连续的冷却步骤中移动。

物理学家Florian Schreck解释称:“最后,超冷原子到达了实验的核心,它们可以用来在BEC中形成相干物质波。但是当这些原子被使用的时候,新的原子已经开始补充BEC了。这样,我们就可以让这个过程继续下去——基本上是永远地继续下去。”

这个“实验的核心”是一个使BEC避光的陷阱,然而,保护BEC不受冷却激光器产生的光的影响,虽然在理论上很简单,但在实践中又有点困难。团队面临的不仅有技术上的障碍,还有监管环境上举步维艰的局面。

早在2012年,当时还在因斯布鲁克的团队就实现了一种技术,使BEC免受激光冷却光的影响,首次实现了激光冷却到相干波所需的简并态。而要想更进一步,还需要一台专用的机器。六年后,也就是2019年末,这项实验终于要成功了。

研究人员们想通过增加一束额外的激光束来解决最后一个技术难题。论文第一作者 Chun-Chia Chen表示:“很快我们拍摄的每一张图像都显示了BEC,第一个连续波BEC。”

据悉,该团队目前正在寻找一种稳定的物质光束,这可以帮助科学家们开发与目前使用的光学激光器类似的激光应用。这项新突破近日发表在《自然》(Nature)杂志上。


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