神奇的激光制冷术极致低温

2018-10-31 dpeng

导读: 其实,除了在工业切割、焊接、以及医疗美容上的应用外。激光还有许多其它用途,比如在制冷上的应用。激光冷却这一概念最早于1962年由苏联学者提出,沉寂了一段时间后才被学界关注。1985年,著名的美国华裔科学家朱棣文使用激光冷冻原子,成功实现了低温环境,并因这一发明而获得1997年的物理学奖。


作为与计算机、半导体、原子能并称的二十世纪四大发明之一,激光技术已经在许多行业中得到广泛应用。不过,提到激光,大多数人能想到的往往是其在机械加工上的应用。

其实,除了在工业切割、焊接、以及医疗美容上的应用外。激光还有许多其它用途,比如在制冷上的应用。激光冷却这一概念最早于1962年由苏联学者提出,沉寂了一段时间后才被学界关注。1985年,著名的美国华裔科学家朱棣文使用激光冷冻原子,成功实现了低温环境,并因这一发明而获得1997年的物理学奖。

多普勒冷却技术

那么,激光为什么能够制冷呢?通常情况下,物体的原子总是在做不规则运动,物理学上将其称为热运动。原子的运动越剧烈,物体的温度就会越高,相反则温度低。因此,如果有方法能够降低原子的运动速率,就能降低物体的温度。激光制冷的原理大体上可以理解为:利用大量光子阻碍原子的运动,以降低原子的运动速率,进而达到降低物体温度的目的。

激光是能量高度集中的光束,由于它发出的光粒子具有统一的方向,所以这些粒子非常集中。当激光束射入物体内时,由于进入的粒子数很多,使得物体内的微粒变得非常拥挤,它们便不能像原来一样“活蹦乱跳”了,从而降低了分子的热运动,这种激光制冷技术被称为多普勒冷却技术。

1995年,利用多普勒冷却技术,达诺基小组将铯原子冷却到了2.8nK的低温。德国伯恩大学物理学家使用该项技术实现了光子的高密度集中,这一技术在太阳能电池上十分具有前景,能使太阳能电池在阴天也能保持高效工作。

反斯托克斯荧光制冷技术

多普勒冷却是激光制冷中最基本的机制,后来又发展出一种名为反斯托克斯荧光制冷技术,这种技术的理念最早由P.Pringsheim于1929年提出。这种制冷方法的基本原理是反斯托克斯效应,利用散射与入射光子的能量差来实现制冷。

反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应,其散射荧光光子波长比入射光子波长短。因此,散射荧光光子能量高于入射光子能量,其过程可简单理解为:用低能量激光光子激发发光介质,发光介质散射出高能量的光子,将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比,激光起到了提供制冷动力的作用,而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。

1995年,美国LosAlamos国家实验室空间制冷技术研究组的Epstein及同事首次通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得可测量的制冷量。

1999年,低温物理学家E.Finkeipen利用掺杂蓝宝石激光器激发GaAs/GaAl半导体量子阱材料的空穴激子,实现空穴激子的反斯托克斯荧光发射,给出了不同温度下制冷效率与制冷温度的关系。

2010年,科学家使用激光,把分子冷冻到接近绝对零度,这是单分子激光制冷首次达到这样的低温,向控制物质化学物理过程,制造量子计算机迈进了一大步。

随着技术的不断发展成熟,激光冷却开始获得许多应用。比如,原子光学、原子刻蚀、原子钟、光镊子、高分辨率等基础研究。还可以使用这种技术进行金属焊接和施行人体手术。相信在未来,这种技术一定会得到更广阔的应用。

来源:OFweek激光