物理學家制造出了能夠持續運作的相干原子激光器

2022-06-22 09:35:48來源：OFweek激光網關鍵詞：原子激光器相干原子激光器閱讀量：21667

導讀：另外值得一提的是，對于“原子激光器”而言這將是一個巨大的進步。原子激光器是一束由原子組成的光束，以單一的波形式行進，未來有望用于測試基本物理常數和工程精密技術。

　　近日，一組物理學家宣布，他們能夠成功制造出一束與激光行為相同的原子束，而且理論上可以“永遠”保持運行。盡管這項技術目前仍然存在重大的局限性，但最新的突破意味著它正在走向實際應用。

　　另外值得一提的是，對于“原子激光器”而言這將是一個巨大的進步。原子激光器是一束由原子組成的光束，以單一的波形式行進，未來有望用于測試基本物理常數和工程精密技術。

　　首個原子激光器是由麻省理工學院的一組物理學家在1996年發明的。其概念非常簡單：就像傳統的基于光的激光器是由與波同步運動的光子組成的一樣，由原子組成的激光器在被打亂成光束之前，需要它們自身的波狀特性來進行排列。

　　但這個科學概念的實現卻并不容易。原子激光的開端是一種物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)。BEC是通過將玻色子云冷卻到絕對零度(約為-273.15℃)以上的一小部分而產生的。在如此低的溫度下，原子會完全不停止地下沉到它們可能達到的最低能態。當它們達到這些低能量時，粒子的量子性質就不再相互干擾；它們彼此靠得很近，產生了一種類似于“超級原子”或物質波的高密度原子云。

　　不過，BECs卻有點自相矛盾——它們非常脆弱，即便是光也能對其造成破壞。所以即便是用光學激光器冷卻BEC中的原子，BEC的存在也是短暫的。

　　迄今為止，科學家們成功研制出的原子激光器都是脈沖型的，而不是連續型的；在產生新的BEC之前，只需要發射一個脈沖。而為了創造持續的BEC，荷蘭阿姆斯特丹大學的一組研究人員進行了新的設置，他們決定不依據時間來擴展冷卻步驟，而是依據空間——讓原子在連續的冷卻步驟中移動。

　　物理學家Florian Schreck解釋稱：“最后，超冷原子到達了實驗的核心，它們可以用來在BEC中形成相干物質波。但是當這些原子被使用的時候，新的原子已經開始補充BEC了。這樣，我們就可以讓這個過程繼續下去——基本上是永遠地繼續下去。”

　　這個“實驗的核心”是一個使BEC避光的陷阱，然而，保護BEC不受冷卻激光器產生的光的影響，雖然在理論上很簡單，但在實踐中又有點困難。團隊面臨的不僅有技術上的障礙，還有監管環境上舉步維艱的局面。

　　早在2012年，當時還在因斯布魯克的團隊就實現了一種技術，使BEC免受激光冷卻光的影響，首次實現了激光冷卻到相干波所需的簡并態。而要想更進一步，還需要一臺專用的機器。六年后，也就是2019年末，這項實驗終于要成功了。

　　研究人員們想通過增加一束額外的激光束來解決最后一個技術難題。論文第一作者 Chun-Chia Chen表示：“很快我們拍攝的每一張圖像都顯示了BEC，第一個連續波BEC。”

　　據悉，該團隊目前正在尋找一種穩定的物質光束，這可以幫助科學家們開發與目前使用的光學激光器類似的激光應用。這項新突破近日發表在《自然》(Nature)雜志上。

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