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极致低温 奇特的激光制冷术

作为与核算机、半导体、原子能并称的二十世纪四大创造之一,激光技能已经在许多职业中得到广泛运用。不过,说到激光,大多数人能想到的往往是其在机械加工上的运用。

其实,除了在工业切开、焊接、以及医疗美容上的运用外。激光还有许多其它用处,比方在制冷上的运用。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重视。1985年,闻名的美国华裔科学家朱棣文运用激光冷冻原子,成功完成了低温环境,并因这一创造而获得1997年的物理学奖。

1997年诺贝尔物理学奖得主:朱棣文

多普勒冷却技能

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。因而,如果有办法能够下降原子的运动速率,就能下降物体的温度。激光制冷的原理大体上能够理解为:运用许多光子阻止原子的运动,以下降原子的运动速率,然后到达下降物体温度的意图。

激光是能量高度会集的光束,因为它宣布的光粒子具有一致的方向,所以这些粒子非常会集。当激光束射入物体内时,因为进入的粒子数许多,使得物体内的微粒变得非常拥堵,它们便不能像本来相同“活蹦乱跳”了,然后下降了分子的热运动,这种激光制冷技能被称为多普勒冷却技能。

1995年,运用多普勒冷却技能,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运用该项技能完成了光子的高密度会集,这一技能在太阳能电池上非常具有远景,能使太阳能电池在阴天也能坚持高效作业。

反斯托克斯荧光制冷技能

多普勒冷却是激光制冷中最根本的机制,后来又开展出一种名为反斯托克斯荧光制冷技能,这种技能的理念最早由P.Pringsheim于1929年提出。这种制冷办法的根本原理是反斯托克斯效应,运用散射与入射光子的能量差来完成制冷。

反斯托克斯效应是一种特别的散射效应,其散射荧光光子波长比入射光子波长短。因而,散射荧光光子能量高于入射光子能量,其进程可简略理解为:用低能量激光光子激起发光介质,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。与传统制冷办法比较,激光起到了供给制冷动力的效果,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能研讨组的Epstein及搭档初次经过激光诱导反斯托克斯荧光在固体资料上成功地获得可丈量的制冷量。

1999年,低温物理学家E.Finkeipen运用掺杂蓝宝石激光器激起GaAs/GaAl半导体量子阱资料的空穴激子,完成空穴激子的反斯托克斯荧光发射,给出了不同温度下制冷功率与制冷温度的联络。

2010年,科学家运用激光,把分子冷冻到挨近绝对零度,这是单分子激光制冷初次到达这样的低温,向操控物质化学物理进程,制作量子核算机迈进了一大步。

跟着技能的不断开展老练,激光冷却开端获得许多运用。比方,原子光学、原子刻蚀、原子钟、光镊子、高分辨率等基础研讨。还能够运用这种技能进行金属焊接和实施人体手术。信任在未来,这种技能一定会得到更宽广的运用。

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