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采桑子·激光冷却捕获原子

已有 6988 次阅读 2017-10-5 15:23 |个人分类:物理|系统分类:诗词雅集| 朱棣文, 激光冷却

内能涌动原子躁,踪迹惚慌。
禀性疏狂,欲睹真容谁破窗?
欣闻妙计炎黄献,六束激光。
却步含霜,困在磁笼敛素妆。


科学家很想观测单个气体分子或原子的结构,更想随心所欲地去操纵他们。但是气体的分子和原子都含有内能,所以它们不断地在作无规乱运动,即使在室温下,空气中的原子和分子的速率也达到每秒几百米。例如我们远远看见厨师把鸡翅放到油锅里炸,很快我们就闻到了香味。这是香气的分子向四面八方扩散,进入我们鼻子的结果。在这种快速运动的状态下,即使有仪器能直接进行观察,它们也会很快地就从视场中消失,因此很难看清楚他们的真面目。科学家发现。降低气体的温度,可以使它们运动的速率减小。但是问题是气体一经冷却,它就会冷凝为液体,继而凝固成固体。这个时候已经不是单个分子或原子了。
     有人又想到如果将气体抽出让容器接近真空,在极低密度的情况下冷却可以避免凝聚和冻结。但科学家们发现即使低到-270℃,还会有速率达到每秒几十米的分子原子,只有接近绝对零度(-273.15℃)时,速率才会大为降低。当温度低到10-6K,即1微开(μK)时,自由氢原子预计将以低于625px/s的速率运动。可是怎样才能达到这样低的温度呢?
    很早以前人们就发现,彗星的彗尾总是背着太阳。开普勒在1619年提出,光可能有机械效应,即“光压”。麦克斯韦在1873年、爱因斯坦在1917年都对所谓“光压”作出过重要解释,爱因斯坦证明了原子吸收和发射光子后,其动量会发生改变。我们知道分子和原子运动得越快温度越高,如果把他们的速度降下来,其温度就会跟着降低。在原子运动的方向给它照射一定频率的激光,其速度就会减下来,但是原子的运动本来就杂乱无章,怎么办呢?
     1985年,朱棣文在美国新泽西州荷尔德尔(Holmdel)的贝尔实验室里,用六束两两相对,沿三个正交方向的激光照射原子,原子的前后左右上下都有一定频率的激光,不管它企图往哪个方向跑,总是被四面八方迎头而来的激光减速,最后不得不停在六束激光的交汇处,温度骤降到1μK。在这个小区域里,聚集了大量的冷却下来的原子,组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体,原子陷入其中会不断降低速度而被冷却。朱棣文给这种机制起了一个绰号,叫“光学粘胶”。


     可是在“光学黏胶”里,原子只是被冷却,并没有被俘虏。因为重力会使它们在1秒钟内从光学粘胶中落下来。朱棣文继续领导他的团队,终于在1987年做成了一种很有效的陷阱,叫做磁光陷阱。在六束激光的基础上再加上两个磁性线圈,施加一定的磁场,就会产生一个比重力略大的力把掉落的原子拉回粘胶中心。这时原子虽然没有真正被捉住,但却是被激光和磁场约束在一个很小的范围里,从而可以在实验中加以研究或利用。朱棣文和他的小组在激光冷却和陷俘原子的技术中取得了突破性的进展,引起了物理学界的广泛关注。继他们之后有很多科学小组很快超过了他们,但是他们开创的激光减速方法和光学粘胶的工作一直是其它成果的基础。他们自己也没有止步,继续作出了新的努力。1997年,朱棣文因为在激光冷却和陷俘原子的技术中的开创性贡献,与其他两位科学家分享了当年的诺贝尔物理学奖,成为第五位获此殊荣的炎黄子孙。




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