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又是全球首次,荷兰科学家制造了可以永远工作的相干波原子激光器

激光,激光和我们的日常生活有什么关系?“没有激光这日子可不好过,我们在打印机、CD播放器、指针、测量设备等中都需要使用激光。激光之所以如此特殊,是因为它们使用的是相干光波:激光内部的所有光都完全同步振动。同时,量子力学告诉我们,像原子这样的粒子也可以被认为是波。因此,我们可以建造包含物质相干波的原子激光器。”科学家们解释说。但是,科学家能否使这些物质波持续下去,以便在应用中使用它们呢?一个来自荷兰的物理学家组成的团队用实验证明,完全可以。
原子激光器的基本概念是玻色-爱因斯坦凝聚体,简称BEC,自然界中的基本粒子有两种:费米子和玻色子。费米子是像电子和夸克一样的粒子,是构成我们物质的基石。玻色子最著名的例子是光子,但物质粒子也可以结合形成玻色子,也就是说整个原子的行为就像光粒子一样。玻色子之所以如此特殊,是因为它们可以在同一时间处于完全相同的状态,或者用更专业的术语来表述:它们可以“凝聚”成相干波。当物质粒子发生这种凝聚时,物理学家称其为玻色-爱因斯坦凝聚。
事实上,在物理学家能够制造出连续激光器之前,普通的光学激光器也是以脉冲形式制造的。但是,尽管光学激光器的发展非常迅速,第一台连续型激光器在脉冲激光器问世后的六个月内生产出来,但对于原子激光器来说,连续型激光器在25年多的时间里仍然是天方夜谭。问题很明显:BEC非常脆弱,当光线照射到它们时,它们会很快被摧毁。然而,光的存在对凝结效应至关重要:要将物质冷却到百万分之一度,需要使用激光冷却其原子。因此,BEC仅限于短暂的爆发,无法连贯地维持它们。
荷兰的科学家团队现已成功解决了创造连续玻色-爱因斯坦凝聚体的难题。团队负责人表示:“在以前的实验中,原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的。在我们的实验中,我们决定将冷却步骤不是在时间上而是在空间上展开,我们让原子在通过连续冷却步骤的过程中移动。最后,超冷原子到达了实验设施的中心,在那里它们可以用来在BEC中形成相干物质波。但是,当这些原子是由于使用了新的原子,新的原子已经开始补充BEC。通过这种方式,我们可以让这一过程继续下去——基本上是永远持续下去。”
在解决了创造连续玻色爱因斯坦凝聚体这一关键问题后,科学家们现在已经确定了下一个目标:利用激光创造稳定的物质输出光束。一旦他们的激光器能永远工作,而且还能永远产生稳定的光束,就再也没有什么能阻挡技术应用的道路了。

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