雷射冷卻囚禁原子並進行操控

2020-11-23 OFweek維科網

  如果有一支原子軍隊的話,陳帥無疑能夠擔任這支隊伍的首席指揮官。這位34歲的中國科技大學量子工程中心的教授,每天的工作就是把這些「看不見摸不著」的原子,「當玩具一樣擺弄」。

     「我就像個導演,可以指揮原子做水平運動,或是原地轉個圈。如果需要的話,還能讓它像蜜蜂那樣跳一段『8』字舞。」年輕的教授饒有興味地解說道。 

     利用雷射冷卻並囚禁原子的技術,是物理學家獲得冷原子的經典方法。這是人類有史以來第一次操控微觀粒子。 

     7月底,陳帥應邀前往澳大利亞參加第22屆國際原子物理學會議。他驚訝地發現,會上提交的議題差不多都跟冷原子有關。有的用冷原子做精密測量,有的測量基本常數,有的測算時間,還有人提出用冷原子模擬凝聚態物理。 

     「冷原子好熱啊。」陳帥感嘆道。在他看來,假如人類尚未發現這項技術,恐怕當代物理學的很多研究都將停滯不前。 

     捉住原子,再囚禁起來 

     啟動雷射器之後,陳帥緊盯著真空腔裡的變化。不到1秒鐘的時間,面前閃現出一個不易察覺的圓點。它像正在充氣的氣球那樣急速膨脹,最終形成一個直徑5毫米的暗紅色小球。「可以數數了。」陳帥自言自語道。這團小球裡大約匯聚了10億個銣原子。陳帥決定把其中一部分「抓」出來,「囚禁」在光晶格裡。 

     與科技史上一些偉大的發現一樣,捕捉冷原子的技術也是一次意外的收穫。 

     「最初科學家們只是想獲取更精確的時間。」在講述這段科學史的時候,陳帥掏出他的諾基亞手機擺在桌子上,「現在年輕人習慣用手機計時,實際上這和過去鐘錶計時相比,其原理都是一樣的。」 

     學過中學物理的人都知道,物體都在以一定的頻率振蕩,通過振蕩頻率,就知道時間的長短。最簡單的例子是單擺,如果擺動一次是一秒鐘,在特定條件下擺動100次就是100秒。但這種計時方法只能精確到秒。後來,科學家們發現,在零磁場的情況下石英晶體會發出固定的振蕩脈衝,每振蕩約3.2萬次就是1秒,這樣就有了石英表,通常可以精確到十萬分之一秒。 

     「人們永遠都想測得更準。」陳帥說。後來科學家發現,銫原子躍遷發出的電磁波頻率,比其他物質更為準確。在1963年召開的第13屆國際計量大會上,科學家們給時間下了一個定義,即銫原子Cs-133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間為1秒。這個標準一直沿用至今。 

     但原子的無規則熱運動卻成了精密測量的巨大障礙,有些原子在常溫下的速度高達到數百米每秒。只有讓原子飛得慢點,甚至把速度降到零,才可能把時間數準。而唯一的辦法就是讓原子的溫度趨近於絕對零度(-273.15攝氏度),成為冷原子。 

     「給原子降溫可不是一件容易的事啊。」陳帥笑著舉例,對人類來說,0攝氏度的冰已經夠冷了,但是在原子看來還有273.15攝氏度的高溫。液氮是-196攝氏度,在這個溫度下,空氣都變成了液態,但對原子來說,溫度才降到常溫的1/4。 

     100多年前,人們就製造出-269攝氏度的液氦,此溫度下,金屬的電阻都會消失,出現超導現象。可是對原子來說,雖然涼快多了,也還不夠冷。傳統低溫技術可以製冷到10-3開爾文,冷是很冷了,但此時大部分物質都變成了固體,無法保持觀測原子所必須的氣態。 

     直到1975年,德國物理學家漢斯提出了一個設想,可以用雷射降低原子的動能,從而給原子製冷,這就像以噴水的方式來使一個行進中的小球靜止下來,讓它懸浮在空中,任由人們看個明白。 

     漢斯因提出並開發飛秒光梳來進行頻率測量的技術而獲得2005年諾貝爾物理學獎。儘管他並沒有用實驗印證自己當年的設想,但這個想法也被視為其一生中最偉大的成就。 

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