激光制冷

组员：樊超崔奇侯文谢猛圆周玠良固体物理小组NO1激光制冷01030204最初的设想发展现状基本原理我们的设想设计初衷这一技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟)。简介早在1978年及其在国家标准技术局同事们就按照文献中提出的理论方案成功地用激光DaveWineland冷却了镁离子。正如这个小组在《物理学评论杂志》的文章中所描述的那样，他们将离子限制在电磁势阱中，并用频率稍低于离子共振频率的激光轰击俘获的离子。在静止状态时，离子吸收频率等于其共振频率的光子；当离子迎着激光照射的方向运动时，由于多普勒效应激光的频率会变大，当激光频率达到离子共振频率的时候，离子就会吸收光子。由于光子和离子的动量方向相反，离子吸收光子之后其运动速度会降低从而冷却，冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热效应所平衡，加热效应在有激光的时候总是存在的。在后来的几年中，加热效应——它源自原子每次随机地在各个方向辐射和吸收光子时产生的反冲效应——最终将对所谓的多普勒冷却技术能够将物质冷却到更低的温度给出难以突破的限制。朱棣文（StevenChu，1948年2月28日－），美国华裔物理学家，生于美国圣路易斯，祖籍江苏太仓，中国科学院外籍院士。因“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”丁肇中和11年前的李远哲之后，第五位获诺贝尔奖的华裔科学家。而获得1997年诺贝尔物理学奖，是继1957年的杨振宁、李政道，1976年的2013年2月1日，已向总统奥巴马提出辞职。人物介绍1997年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的朱棣文（StephenChu，1948—），法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩－塔诺季（ClaudeCohenTannoudji1933—）和美国国家标准技术院的菲利普斯（WilliamD.Phillips1948—）（上图依次从左到右），以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。发展现状提出汉胥（T.W.Hānsch）和肖洛（A.L.Schawlow）1975年首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。汉斯和肖洛的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。光学黏胶1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速，其被称之为“光学粘胶”。聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。俘获1987年，由于利用磁光陷阱，有了新的突破，它是用上述六束激光再加上两个线圈组成。线圈产生微小变化的磁场，该磁场最小值处于激光相交的位置，由于塞曼效应。就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。从而原子被约束在一个很小的区域。亚多普勒冷却及其他技术（1）从多普勒激光冷却原理可知，多普勒激光冷却是有一个温度极限的，但是，科学家们却发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。于是，又促成了了亚多普勒冷却。（2）从此之后所提出的几种冷却方式：偏振梯度冷却选择相干布居数囚禁拉曼跃迁冷却单分子激光制冷美国耶鲁大学的爱德华·舒曼和戴维·德米尔，使用了既有技术和几项新技术，把氟化锶(SrF)冷冻到仅有几百微开氏度。从而使超低温激光冷却扩展到分子领域。2014年8月29日，美国耶鲁大学的科学家成功打造的迄今为止温度最低的分子。实验中，他们将选定分子的温度降到只比绝对零度高出2.5‰的程度。这一研究成果能够应用于从量子化学到粒子物理学最基本理论测试等一系列领域，帮助科学家进行各种新研究。激光制冷成为实现玻色—爱因斯坦凝聚的关键实验方法2001年诺贝尔物理学奖分别授予美国科学家艾里克A.科纳尔、德国科学家沃尔夫冈·凯特纳以及美国科学家卡尔E.威依迈。理由是取得了在淡气中实现碱性原子的博斯-爱因斯坦冷凝其他应用原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。然后还有超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依据。基本原理：通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。补充：量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。具体操作：把激光器的频率调至略低于某原子的可吸收的频率。用这样一束光照射某一特定的原子时，若原子是向着激光束运动时，由于多普勒效应，光子的频率增加，而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与原子碰撞之后，原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。由于在激光只减小原子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，从而达到制冷的目的。原理图用激光束照射原子与原子运动方向同向与原子运动方向反向光子频率减小光子频率增加激光器频率略小于原子受激频率光子不被吸收光子被吸收原子动量不变原子动量减少原子运动速度减小，温度降低反斯托克斯荧光制冷技术原理：利用散射与入射光子的能量差来实现制冷。用低能量的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外，从而产生制冷效应。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。由光子能量公式可知，由于hc为常数，光子能量与波长成反比，因此在反斯托克斯效应中散射荧光光子能量高于入射光子能量。我们的设想可以利用激光冷却技术，提供低温源，制成冷却机应用于设备冷却。如高温激光武器，高速发动机，热核反应堆。利用该技术，减缓高速运动物理表面分子运动，冷却摩擦接触表面，飞机，火箭，空间导弹。在医疗上对病变部局部冷却进行手术，可替代麻药且减少出血。