極致低溫 神奇的雷射製冷術

作為與計算機、半導體、原子能並稱的二十世紀四大發明之一，雷射技術已經在許多行業中得到廣泛應用。不過，提到雷射，大多數人能想到的往往是其在機械加工上的應用。

其實，除了在工業切割、焊接、以及醫療美容上的應用外。雷射還有許多其它用途，比如在製冷上的應用。雷射冷卻這一概念最早於1962年由蘇聯學者提出，沉寂了一段時間後才被學界關注。1985年，著名的美國華裔科學家朱棣文使用雷射冷凍原子，成功實現了低溫環境，並因這一發明而獲得1997年的物理學獎。

1997年諾貝爾物理學獎得主：朱棣文

都卜勒冷卻技術

那麼，雷射為什麼能夠製冷呢？通常情況下，物體的原子總是在做不規則運動，物理學上將其稱為熱運動。原子的運動越劇烈，物體的溫度就會越高，相反則溫度低。因此，如果有方法能夠降低原子的運動速率，就能降低物體的溫度。雷射製冷的原理大體上可以理解為：利用大量光子阻礙原子的運動，以降低原子的運動速率，進而達到降低物體溫度的目的。

雷射是能量高度集中的光束，由於它發出的光粒子具有統一的方向，所以這些粒子非常集中。當雷射束射入物體內時，由於進入的粒子數很多，使得物體內的微粒變得非常擁擠，它們便不能像原來一樣「活蹦亂跳」了，從而降低了分子的熱運動，這種雷射製冷技術被稱為都卜勒冷卻技術。

1995年，利用都卜勒冷卻技術，達諾基小組將銫原子冷卻到了2．8nK的低溫。德國伯恩大學物理學家使用該項技術實現了光子的高密度集中，這一技術在太陽能電池上十分具有前景，能使太陽能電池在陰天也能保持高效工作。

反斯託克斯螢光製冷技術

都卜勒冷卻是雷射製冷中最基本的機制，後來又發展出一種名為反斯託克斯螢光製冷技術，這種技術的理念最早由P.Pringsheim於1929年提出。這種製冷方法的基本原理是反斯託克斯效應，利用散射與入射光子的能量差來實現製冷。

反斯託克斯效應是一種特殊的散射效應，其散射螢光光子波長比入射光子波長短。因此，散射螢光光子能量高於入射光子能量，其過程可簡單理解為：用低能量雷射光子激發發光介質，發光介質散射出高能量的光子，將發光介質中的原有能量帶出介質而製冷。與傳統製冷方式相比，雷射起到了提供製冷動力的作用，而散射出的反斯託克斯螢光則是熱量載體。

1995年，美國LosAlamos國家實驗室空間製冷技術研究組的Epstein及同事首次通過雷射誘導反斯託克斯螢光在固體材料上成功地獲得可測量的製冷量。

1999年，低溫物理學家E.Finkeipen利用摻雜藍寶石雷射器激發GaAs／GaAl半導體量子阱材料的空穴激子，實現空穴激子的反斯託克斯螢光發射，給出了不同溫度下製冷效率與製冷溫度的關係。

2010年，科學家使用雷射，把分子冷凍到接近絕對零度，這是單分子雷射製冷首次達到這樣的低溫，向控制物質化學物理過程，製造量子計算機邁進了一大步。

隨著技術的不斷發展成熟，雷射冷卻開始獲得許多應用。比如，原子光學、原子刻蝕、原子鐘、光鑷子、高解析度等基礎研究。還可以使用這種技術進行金屬焊接和施行人體手術。相信在未來，這種技術一定會得到更廣闊的應用。