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近日，一組物理學(xué)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(yuǎn)”保持運(yùn)行。盡管這項(xiàng)技術(shù)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?qū)嶋H應(yīng)用。
另外值得一提的是，對于“原子激光器”而言這將是一個(gè)巨大的進(jìn)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(jìn)，未來有望用于測試基本物理常數(shù)和工程精密技術(shù)。
首個(gè)原子激光器是由麻省理工學(xué)院的一組物理學(xué)家在1996年發(fā)明的。其概念非常簡單：就像傳統(tǒng)的基于光的激光器是由與波同步運(yùn)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(jìn)行排列。
但這個(gè)科學(xué)概念的實(shí)現(xiàn)卻并不容易。原子激光的開端是一種物質(zhì)狀態(tài)，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(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(chǎn)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(dá)到的最低能態(tài)。當(dāng)它們達(dá)到這些低能量時(shí)，粒子的量子性質(zhì)就不再相互干擾；它們彼此靠得很近，產(chǎn)生了一種類似于“超級原子”或物質(zhì)波的高密度原子云。
不過，BECs卻有點(diǎn)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(xué)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(xué)家們成功研制出的原子激光器都是脈沖型的，而不是連續(xù)型的；在產(chǎn)生新的BEC之前，只需要發(fā)射一個(gè)脈沖。而為了創(chuàng)造持續(xù)的BEC，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的一組研究人員進(jìn)行了新的設(shè)置，他們決定不依據(jù)時(shí)間來擴(kuò)展冷卻步驟，而是依據(jù)空間——讓原子在連續(xù)的冷卻步驟中移動。
物理學(xué)家Florian Schreck解釋稱：“最后，超冷原子到達(dá)了實(shí)驗(yàn)的核心，它們可以用來在BEC中形成相干物質(zhì)波。但是當(dāng)這些原子被使用的時(shí)候，新的原子已經(jīng)開始補(bǔ)充BEC了。這樣，我們就可以讓這個(gè)過程繼續(xù)下去——基本上是永遠(yuǎn)地繼續(xù)下去。”
這個(gè)“實(shí)驗(yàn)的核心”是一個(gè)使BEC避光的陷阱，然而，保護(hù)BEC不受冷卻激光器產(chǎn)生的光的影響，雖然在理論上很簡單，但在實(shí)踐中又有點(diǎn)困難。團(tuán)隊(duì)面臨的不僅有技術(shù)上的障礙，還有監(jiān)管環(huán)境上舉步維艱的局面。
早在2012年，當(dāng)時(shí)還在因斯布魯克的團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)了一種技術(shù)，使BEC免受激光冷卻光的影響，首次實(shí)現(xiàn)了激光冷卻到相干波所需的簡并態(tài)。而要想更進(jìn)一步，還需要一臺專用的機(jī)器。六年后，也就是2019年末，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(gè)技術(shù)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(gè)連續(xù)波BEC。”
據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)目前正在尋找一種穩(wěn)定的物質(zhì)光束，這可以幫助科學(xué)家們開發(fā)與目前使用的光學(xué)激光器類似的激光應(yīng)用。這項(xiàng)新突破近日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。
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