为什么要用激光来冷却最冷分子.

Question

为什么要用激光来冷却最冷分子.

Answer 1

温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度.而绝对零度的定义就是分之热运动完全停止.这在现实中是不可能做到的.所以绝对零度只可以无限逼近,但无法达到.激光冷却用比较通俗的说法就是用光压去压抑物体的分子热运动.激光冷却涉及到多个物理原理,概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量.另外,激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要.
光的多普勒效应是指,如果你迎着光源的方向运动,观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动,观察到的光的频率将会降低.
原子可以吸收电磁辐射的能量,使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射,同时自身的能量降低.原子的能级量子化,是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波.按量子理论,电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用.而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率,所以,只吸收和释放某些特定频率的电磁波,就意味着原子的能量只能取某些特定的值,故称为能级量子化.
光与其它实物粒子一样,也具有动量.当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时,它同时也获得了一定的动量.光的动量与光的波长成反比,方向与光的传播方向相一致.
现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波.如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率),并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上,将会发生什么现象呢?
我们知道,在高于绝对零度的任何温度下,组成样品的原子都在作无规则的热运动.当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时,由于多普勒效应,在这个原子看来激光的频率会略高一些.因为我们把激光的频率调在略低于f0,多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0.这样,这个原子就有可能吸收激光的能量.在它吸收能量时,它同时也获得了动量.由于激光传播的方向与原子运动的方向相反,获得的动量将使原子的运动速度变慢.
如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时,由于多普勒效应,这个原子看到的激光频率将降低,这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率,所以这个原子不会吸收激光的能量,也不会从激光那里获得使它加速的动量.
如果我们多设置几个激光源,从多个方向照射那个样品.那么按上面的分析,无论样品的原子往哪个方向运动,它都只吸收迎面而来的激光,因而其运动速度总是被降低.这些原子就好象处在粘稠的糖浆中,它的运动一直受到阻挠,直到几乎完全停止.所以激光冷却装置又被称为“光学糖浆”.
这样,在激光的照射下,组成样品的原子的热运动速度不断降低,它的温度也就不断地降低.那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢?答案是否定的.因为样品原子在吸收了光子之后,其自身能级将升高,因而并不稳定.它会再次释放光子,使自己处于更稳定的状态.释放光子时,它也会失去一部分动量,从而产生相反方向的加速.释放光子的方向是随机的,所以在长期平均来看,它并不产生净的加速.但是它毕竟使原子获得了随机的瞬间速度,这本身也是一种热运动,所以要达到绝对零度是不可能的.只是这种热运动的幅度很小,其对应的温度对大多数原子来讲在千分之一开以下.