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物理学家制造了一种原子激光器,它可以永不熄灭 精选

已有 3912 次阅读 2022-6-16 15:20 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

物理学家制造了一种原子激光器,它可以永不熄灭

诸平

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The central part of the experiment in which the coherent matter waves are created. Fresh atoms (blue) fall in and make their way to the Bose-Einstein Condensate in the center. In reality, the atoms are not visible to the naked eye. Credit: Scixel.

激光使用的是相干光波:激光内部所有的光都是完全同步振动的。同时,量子力学告诉我们,像原子这样的粒子也应该被认为是波。因此,我们可以建立包含相干物质波的“原子激光器(atom lasers)”。但我们能让这些物质波持续下去,从而在实际应用中应用吗?

据荷兰阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam2022614日提供的消息,荷兰的一个物理学家团队给出了这个问题的肯定答案,他们制造类一种可以无限持续下去的原子激光器(Physicists build an atom laser that can stay on forever)。相关研究结果于202268日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Chun-Chia Chen, Rodrigo González Escudero, Jiří Minář, Benjamin Pasquiou, Shayne Bennetts, Florian Schreck. Continuous Bose–Einstein condensation. Nature, Published: 08 June 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04731-z.  https://doi.org/10.1038/s41586-022-04731-z

参与此项研究的除了来自阿姆斯特丹大学的研究人员之外,还有来自(Qusoft)的研究人员。

Qusoft是第一个致力于量子软件的研究中心,于2015123日成立。由阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam简称UvA)和荷兰国家数学与计算机科学研究中心(Centrum Wiskunde & Informatica简称CWI)联合创建的。Qusoft的使命是开发可在中小型量子计算机原型上运行的新协议、算法和应用程序。它的主要重点是量子软件的开发,需要与传统软件完全不同的技术和方法。Qusoft将专门针对少量量子比特应用、量子测试和调试、量子架构和量子密码学。

让玻色子同步前进(Getting bosons to march in sync

原子激光的基础概念是所谓的玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensate简称BEC)。自然界中的基本粒子有两种:费米子(fermions)和玻色子(bosons)。费米子是像电子和夸克一样的粒子,夸克是构成我们的物质的基石。玻色子在本质上是非常不同的:它们不像费米子那样硬,而是软的:例如,它们可以毫无问题地穿过彼此。玻色子最著名的例子是光子,它是光的最小量。但物质粒子也可以结合形成玻色子,事实上,整个原子的行为就像光的粒子一样。玻色子的特别之处在于它们可以在完全相同的时间处于完全相同的状态,或者用更专业的术语来说,它们可以“凝聚”成一种相干波(coherent wave)。当物质粒子发生这种类型的凝结时,物理学家称由此产生的物质为玻色-爱因斯坦凝聚。

在日常生活中,我们对这些凝聚物一点都不熟悉。原因是:让所有原子都表现为一个整体是非常困难的。

破坏同步性(synchronicity)的罪魁祸首是温度。当一种物质升温时,组成它的粒子开始四处抖动,几乎不可能让它们表现得像一个整体。只有在极低的温度下,也就是绝对零度以上的百万分之一度(大约是-273 ),才有可能形成BEC的相干物质波(coherent matter waves)。

暂短的爆发(Fleeting bursts

25年前,第一个玻色-爱因斯坦凝聚体在物理实验室被创造出来。这为制造能够输出物质光束的原子激光设备提供了可能,但这些设备只能在很短的时间内工作。激光可以产生物质波的脉冲,但在发出这样的脉冲之后,必须在发出下一个脉冲之前产生一个新的BEC。对于原子激光的第一步来说,这仍然是不错的。事实上,在物理学家能够制造出连续激光器之前,普通的光学激光器也是以脉冲激光器的形式制造的。但是,尽管光学激光器的发展非常快,在脉冲激光器之后的六个月内就制造出了第一个连续激光器,但原子激光器的连续版本在超过25年的时间里仍然难以捉摸。

问题很明显:BECs非常脆弱,当光线照射到它们时,它们会迅速被摧毁。然而,光的存在对凝聚体的形成至关重要:要将一种物质冷却到百万分之一度,就需要使用激光(laser light)冷却其原子。结果,BECs被限制在短暂的爆发,没有办法连贯地维持它们。

圣诞礼物(A Christmas present

来自阿姆斯特丹大学的一组物理学家现在已经成功解决了创造连续玻色-爱因斯坦凝聚态的难题。组长弗洛里安·施雷克(Florian Schreck)解释了这是什么把戏。“在之前的实验中,原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的。在我们的设计中,我们决定将冷却步骤不随时间而扩展,而是在空间中扩展:我们让原子在连续冷却步骤中移动。最后,超冷原子到达了实验的核心,在那里它们可以用来在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一直进行下去。”

虽然潜在的想法相对简单,但实施起来肯定不简单。发表在《自然》(Nature)杂志上的论文的第一作者陈纯佳(Chun-Chia Chen音译)回忆说:“早在2012年,当时还在奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck / Universität Innsbruck)的团队就实现了一种技术,使BEC免受激光冷却光的影响,首次使激光冷却到相干波所需的简并态(degenerate state)。虽然这是迈向构建连续原子激光器这一长期挑战的关键的第一步,但也很清楚,要想更进一步,还需要一台专用的机器。2013年搬到阿姆斯特丹大学时,我们开始了一次冒险,借了资金,一间空房间,组建了一个完全由个人资助的团队。6年后,也就是2019年圣诞节的凌晨,这项实验终于要成功了。我们有了增加一束额外的激光束来解决最后一个技术难题的想法,很快我们拍摄的每一张图像都显示了BEC,第一个连续波BEC。”

在解决了长期悬而未决的创造连续的玻色-爱因斯坦凝聚的问题后,研究人员现在已经下定决心实现下一个目标:使用激光创造稳定的物质输出束。一旦他们的激光器不仅能永久工作,而且能产生稳定的光束,那么就没有什么能再阻碍技术的应用了,物质激光器(matter lasers)可能会开始像普通激光器一样在技术上发挥同样重要的作用。

此项研究得到了荷兰科学研究组织(NWO for funding through Vici grant no. 680-47-619 and NWA Startimpuls 2 grant NWA.QUANTUMNANO.2019.002)、欧洲研究理事会(ERC) {European Research Council (ERC) for funding under project no. 615117 QuantStro}、欧盟地平线2020研究和创新项目{ European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 820404 (iqClock project)}、荷兰经济事务和气候政策部(EZK){ Dutch Ministry of Economic Affairs and Climate Policy (EZK), as part of the Quantum Delta NL programme }以及中国台湾教育部门科技孵化奖学金(China Taiwan’s Ministry of Education for MOE Technologies Incubation Scholarship no. 60010200068)的资助。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Laser cooling for quantum gases

Abstract

Bose–Einstein condensates (BECs) are macroscopic coherent matter waves that have revolutionized quantum science and atomic physics. They are important to quantum simulation1 and sensing2,3, for example, underlying atom interferometers in space4 and ambitious tests of Einstein’s equivalence principle5,6. A long-standing constraint for quantum gas devices has been the need to execute cooling stages time-sequentially, restricting these devices to pulsed operation. Here we demonstrate continuous Bose–Einstein condensation by creating a continuous-wave (CW) condensate of strontium atoms that lasts indefinitely. The coherent matter wave is sustained by amplification through Bose-stimulated gain of atoms from a thermal bath. By steadily replenishing this bath while achieving 1,000 times higher phase-space densities than previous works7,8, we maintain the conditions for condensation. Our experiment is the matter wave analogue of a CW optical laser with fully reflective cavity mirrors. This proof-of-principle demonstration provides a new, hitherto missing piece of atom optics, enabling the construction of continuous coherent-matter-wave devices.

 




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2 杨正瓴 李剑超

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