激光制冷.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,01,前言,02,原理,03,发展,04,应用,Laser Cooling,仅供学习,1,temperature,前言,温度实际上反映了空气中分子的运动能量的大小，温度越低，空气分子平均动能越小。,我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。而我们制冷的实质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。,2,Doppler,effect,前言,由于,波源,和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象，称为多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。,3,BEC,前言,Bose-Einstein condensation,爱因斯坦将玻色对光子,(,粒子数不守恒,),的统计方法推广到原子,(,粒子数守恒,),，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变,新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色,-,爱因斯坦凝聚。,即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。,4,前言,Bose-Einstein condensation,临界温度,5,01,03,Options,Options,02,Options,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，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。,光虽然没有静质量，但其具有动量。,原理,多普勒冷却技术的原理就是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。,6,Output,用激光束照射各个方向上的原子,运动方向相同,运动方向不同,多普勒效应,光子频率减小,光子频率增大,光子不被吸收,光子被吸收,hv,原子动量不变,原子动量减小被冷却,原理,7,A,B,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,。,那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢？,8,T.W.Hnsch,和,A.L.Schawlow,首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。,Balykin,、,Letokhov,首次观察到激光原子束减速,1985,年朱棣文实现原子三维冷却。,观察到玻色,-,爱因斯坦凝聚,Ashkin,提出原子俘获的想法,Phillips,等空间塞曼原子变频原子束减速,亚多普勒冷却,1975,1978,1979,1985,1988,1995,1982,选择相干布居数囚禁,拉曼跃迁冷却,9,玻色一爱因斯坦凝聚,原子钟,超冷分子,量子计算机,应用,Laser cooling,空间遥感领域,大规模集成电路,10,谢,谢,Laser cooling,11,A,B,它是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。,量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的,CPU,所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的。,12,A,B,美国国家标准与技术研究所研究人员成功研制出迄今,最精确,的原子钟。这一原子钟用镱元素制成，首先将约,1,万个镱原子冷却至,10,微开尔文,，即在绝对零度以上百万分之十摄氏度，然后将其封闭到由激光制成的被称为光晶格的“容器”中，另一个每秒“滴答”,518,万亿次的光晶格则将引发这些原子在两个能量级之间“摆动”，最终制成了迄今最稳定的原子钟。,13,发展,他们的方法是：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。,多普勒冷却,是激光制冷的第一个例子，也仍然是最常见的激光制冷方法，是在,1975,年由是,David J.Wineland,、,Hans Georg DehmeltTheodor,和,W.Hnsch,和,Arthur Leonard Schawlow,两个研究小组分别同时提出来的。,14,A,B,虽然原子的激光冷却在大约,30,年前就演示过了，但这些方法过去尚未延伸到分子。,超冷分子,在很多原子分子光物理前沿研究领域,如量子计算、少体物理和超冷化学等方面表现出了巨大的应用潜力,因此激发了越来越多的研究热情。,目前实验上产生超冷分子的研究方案主,要有两种,即,费氏巴赫共振技术,和光缔合技术,一对基态的超冷原子吸收一个光子（,此光子的频率相对于共振线红失谐,）形成一个激发态的分子，这个过程叫做光缔合过程,.,这两种方案是获得温度低于,1,毫开尔文,(mK),超冷分子的主要手段,.,15,在,1982,年,Phillips,和来自纽约石溪大学的,Harold Metcalf,发表了关于用激光冷却中性原子的第一篇文章。他们把钠原子送入一个长约六十厘米、开口处宽而越往前越窄的,磁场,中。钠原子通 过磁场的时候迎头碰上频率与原子共振频率稍有差异的激光束，,多普勒冷却效应,使得原子束中粒子的运动速度被限制在较小的一个范围内。激光束同时也使得原子束 整体运动的速度减慢。在减速的过程中，不断改变的磁场造成原子的,共振频率,也不断改变，从而使得在很长的一个距离上减速和冷却效应能够一直保持，最终的速度 将达到仅为原有速度的,百分之四十,。这一现在被称为,塞曼减速仪,的装置已经成为原子束减速的标准工具。,发展,16,1985,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。他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激光都比,静止钠原子吸收的特征波长长一些,。而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被,推回到六束激光交汇的区域,。从而在这个小区域里，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。,由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。大家给这种机制起了一个绰号，叫“,光学粘胶,”。但由于重力的作用，这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。,发展,17,1987,年，朱棣文又设计了一个“磁光阱”捕捉原子，这是利用电磁场形成的一种“势能坑”，原子可以被收集在坑内存起来。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。以便科学研究。,他们也分享了,1997,年的诺贝尔物理学奖。朱棣文是继杨振宁、李政道、丁肇中和李远哲之后第,5,位获诺贝尔奖的华裔学者。,发展,18,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，又产生了亚多普勒冷却。,1988,年初，菲利普斯发现，他们所做实验中原子的温度约为,40K,，比预计的多普勒极限,240K,低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。,发展,19,原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。故而，人们将这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。,发展,20,赵东,.,三种激光冷却机制的理论分析,D.,武汉：华中科技大学，,2007.,线宽,发展,21,在,1982,年,Phillips,和来自纽约石溪大学的,Harold Metcalf,发表了关于用激光冷却中性原子的第一篇文章。他们把钠原子送入一个长约六十厘米、开口处宽而越往前越窄的,磁场,中。钠原子通 过磁场的时候迎头碰上频率与原子共振频率稍有差异的激光束，,多普勒冷却效应,使得原子束中粒子的运动速度被限制在较小的一个范围内。激光束同时也使得原子束 整体运动的速度减慢。在减速的过程中，不断改变的磁场造成原子的,共振频率,也不断改变，从而使得在很长的一个距离上减速和冷却效应能够一直保持，最终的速度 将达到仅为原有速度的,百分之四十,。这一现在被称为,塞曼减速仪,的装置已经成为原子束减速的标准工具。,发展,22,1990,年，从麻省理工学院（,MIT,）获得博士学位的,Eric Cornell,来到科罗拉多州位于洛基山脉山脚下的小镇博尔德（,Boulder,）做博士后，随,Carl Wieman,教授一起致力于研究如何实现玻色,-,爱因斯坦凝聚，两年后他成为助理教授。他们采用了激光冷却的方法将铷原子气体冷却到很低的温度，然后利用磁势阱蒸发冷却的方法得到了更低的温度。,发展,23,发展,一杯水放在桌子上，水里面速度较快的水分子会冲出水面，散发到空气中去，从而带走了较多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同样，通过降低磁势阱的高度，我们可以让束缚在势阱里面的带有较高能量的原子跑掉，从而留下温度较低的原子，得到非常冷的原子气体。,24,发展,利用这两种制冷方法，,Cornell,和,Wieman,在,1995,年,6,月成功地将含有大约,2000,个铷,87,原子（铷的一种同位素）的气体冷却到低于,170nK,的温度（仅比绝对零度高了百万分之零点一七度），这时，大量的原子聚集到了最低的能量状态，形成了玻色,-,爱因斯坦凝聚。此时，距离玻色和爱因斯坦提出玻色,-,爱因斯坦凝聚的构想已过去,70,年。,四个月之后，,MIT,的,Wolfgang Ketterle,教授等人成功地用钠,23,原子实现了玻色,-,爱因斯坦凝聚，他们实现的凝聚含有超过一百倍数量的原子，这使得他们可以观测一些重要的性质，比如观察两个凝聚之间的量子干涉现象。这三位科学家分享了,2001,年的诺贝尔物理学奖。,25,