如今，從家庭使用的打印機(jī)、CD 播放器到工業(yè)應(yīng)用中的測(cè)量?jī)x器和加工設(shè)備，激光技術(shù)在人們的日常生活中已隨處可見并且發(fā)揮著重要的作用。激光之所以如此特殊，是因?yàn)樗鼈兪褂孟喔晒獠ǎ杭す鈨?nèi)部的所有光都完全同步振動(dòng)。

　　同時(shí)量子力學(xué)告訴我們，像原子這樣的粒子也應(yīng)該被認(rèn)為是波。因此，我們可以建造包含物質(zhì)相干波的“原子激光器”。但是能否使這些物質(zhì)波持續(xù)下去，以便在應(yīng)用中使用它們？ 6 月8 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究表明，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)找到了這個(gè)問(wèn)題的答案。

　　讓玻色子同步行進(jìn)

　　原子激光器的基本概念是所謂的玻色- 愛因斯坦凝聚體，簡(jiǎn)稱BEC。自然界中的基本粒子有兩種：費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子是像電子和夸克一樣的粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基石。玻色子在性質(zhì)上有很大的不同，它們不像費(fèi)米子那樣硬，而是軟的。例如，它們可以自由地在彼此之間移動(dòng)穿梭。玻色子最著名的例子是光子，它是最小的光量單位。

　　但物質(zhì)粒子也可以結(jié)合形成玻色子。事實(shí)上，整個(gè)原子的行為就像光粒子一樣。玻色子之所以如此特殊，是因?yàn)樗鼈兛梢栽谕粫r(shí)間處于完全相同的狀態(tài)，或者用專業(yè)術(shù)語(yǔ)表述為它們可以“凝聚”成相干波。當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)生這種凝聚時(shí)，物理學(xué)家稱其為玻色- 愛因斯坦凝聚。

　　在日常生活中，我們對(duì)這些冷凝物一點(diǎn)也不熟悉。原因是，很難讓所有原子都表現(xiàn)為一個(gè)整體。破壞同步性的罪魁禍?zhǔn)资菧囟?，?dāng)物質(zhì)加熱時(shí)組成粒子開始抖動(dòng)，幾乎不可能讓它們像一個(gè)整體一樣運(yùn)動(dòng)。只有在極低的溫度下，即絕對(duì)零度以上約百萬(wàn)分之一度（攝氏度范圍內(nèi)約為零下273°），才有可能形成 BEC 的相干物質(zhì)波。

　　轉(zhuǎn)瞬即逝的爆發(fā)

　　四分之一個(gè)世紀(jì)前，第一批玻色- 愛因斯坦凝聚體在物理實(shí)驗(yàn)室中誕生。這為制造原子激光器提供了可能性，這種裝置可以輸出物質(zhì)束，但這些裝置只能在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用。激光可以產(chǎn)生物質(zhì)波脈沖，但在發(fā)出這樣的脈沖后必須在發(fā)出下一個(gè)脈沖之前創(chuàng)建一個(gè)新的BEC。

　　對(duì)于邁向原子激光器的第一步來(lái)說(shuō)，這還不錯(cuò)。事實(shí)上，在物理學(xué)家能夠制造出連續(xù)激光器之前，普通的光學(xué)激光器也是以脈沖形式制造的。但是，盡管光學(xué)激光器的發(fā)展非常迅速，第一臺(tái)連續(xù)激光器在脈沖激光器問(wèn)世后的6 個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)出來(lái)，但對(duì)于原子激光器來(lái)說(shuō)，連續(xù)型激光器在25 年多的時(shí)間里仍然難以捉摸。

　　問(wèn)題出在BEC 非常脆弱，當(dāng)光線照射時(shí)它們會(huì)很快被破壞。然而，光的存在對(duì)凝結(jié)水的形成至關(guān)重要，要將物質(zhì)冷卻到百萬(wàn)分之一度就需要使用激光冷卻原子。因此，BEC 僅限于短暫的爆發(fā)，無(wú)法連貫地維持它們。

　　一份圣誕禮物

　　阿姆斯特丹大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功解決了創(chuàng)造連續(xù)玻色- 愛因斯坦凝聚體的難題。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Florian Schreck 解釋了其中的奧秘。在以前的實(shí)驗(yàn)中，原子的逐漸冷卻都是在一個(gè)地方完成的。在他們的設(shè)置中，研究人員決定將冷卻步驟不是在時(shí)間上而是在空間上展開。讓原子在通過(guò)連續(xù)冷卻步驟的過(guò)程中移動(dòng)。最后，超冷原子到達(dá)實(shí)驗(yàn)中心，在那里它們可以用來(lái)在BEC 中形成相干物質(zhì)波。但是，當(dāng)這些原子在使用中，新的原子已經(jīng)開始補(bǔ)充BEC。通過(guò)這種方式，可以讓這一過(guò)程始終持續(xù)下去。

　　雖然基本想法相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)施起來(lái)并不輕松。研究論文的第一作者Chun-Chia Chen 回憶說(shuō)，早在2012 年，當(dāng)時(shí)還在奧地利因斯布魯克的研究團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)了一種技術(shù)，可以保護(hù) BEC 免受激光冷卻光的影響，從而首次實(shí)現(xiàn)激光冷卻，直至達(dá)到相干波所需的簡(jiǎn)并狀態(tài)。雖然這是朝著構(gòu)建連續(xù)原子激光器邁出的關(guān)鍵第一步，但同樣清楚的是，需要一臺(tái)專用機(jī)器來(lái)推動(dòng)這一進(jìn)程。

　　Chun-Chia Che 繼續(xù)談到：“在2013 年搬到阿姆斯特丹時(shí)，我們開始了信念的飛躍、借來(lái)的資金、一個(gè)空房間和一個(gè)完全由個(gè)人贈(zèng)款資助的團(tuán)隊(duì)。6 年后在2019 年圣誕節(jié)的凌晨，實(shí)驗(yàn)終于開始工作了。我們的想法是增加一個(gè)額外的激光束來(lái)解決最后一個(gè)技術(shù)難題，我們拍攝的每張圖像都立即顯示出 BEC，這是第一個(gè)連續(xù)波BEC。”

　　在解決了創(chuàng)造連續(xù)玻色- 愛因斯坦凝聚體這一長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題后，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)確定了下一個(gè)目標(biāo)，利用激光創(chuàng)造穩(wěn)定的物質(zhì)輸出光束。一旦他們的激光器不僅能永遠(yuǎn)工作，而且還能產(chǎn)生穩(wěn)定的光束，就再也沒有什么能阻擋技術(shù)應(yīng)用的道路了，物質(zhì)激光器可能會(huì)開始在技術(shù)上發(fā)揮與目前普通激光器同等重要的作用。

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