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近日，一組物理學(xué)家宣布，他們能夠成功制造出一束與激光行為相同的原子束，而且理論上可以“永遠”保持運行。盡管這項技術(shù)目前仍然存在重大的局限性，但最新的突破意味著它正在走向?qū)嶋H應(yīng)用。
另外值得一提的是，對于“原子激光器”而言這將是一個巨大的進步。原子激光器是一束由原子組成的光束，以單一的波形式行進，未來有望用于測試基本物理常數(shù)和工程精密技術(shù)。
首個原子激光器是由麻省理工學(xué)院的一組物理學(xué)家在1996年發(fā)明的。其概念非常簡單：就像傳統(tǒng)的基于光的激光器是由與波同步運動的光子組成的一樣，由原子組成的激光器在被打亂成光束之前，需要它們自身的波狀特性來進行排列。
但這個科學(xué)概念的實現(xiàn)卻并不容易。原子激光的開端是一種物質(zhì)狀態(tài)，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)。BEC是通過將玻色子云冷卻到絕對零度(約為-273.15℃)以上的一小部分而產(chǎn)生的。在如此低的溫度下，原子會完全不停止地下沉到它們可能達到的最低能態(tài)。當(dāng)它們達到這些低能量時，粒子的量子性質(zhì)就不再相互干擾；它們彼此靠得很近，產(chǎn)生了一種類似于“超級原子”或物質(zhì)波的高密度原子云。
不過，BECs卻有點自相矛盾——它們非常脆弱，即便是光也能對其造成破壞。所以即便是用光學(xué)激光器冷卻BEC中的原子，BEC的存在也是短暫的。
迄今為止，科學(xué)家們成功研制出的原子激光器都是脈沖型的，而不是連續(xù)型的；在產(chǎn)生新的BEC之前，只需要發(fā)射一個脈沖。而為了創(chuàng)造持續(xù)的BEC，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的一組研究人員進行了新的設(shè)置，他們決定不依據(jù)時間來擴展冷卻步驟，而是依據(jù)空間——讓原子在連續(xù)的冷卻步驟中移動。
物理學(xué)家Florian Schreck解釋稱：“最后，超冷原子到達了實驗的核心，它們可以用來在BEC中形成相干物質(zhì)波。但是當(dāng)這些原子被使用的時候，新的原子已經(jīng)開始補充BEC了。這樣，我們就可以讓這個過程繼續(xù)下去——基本上是永遠地繼續(xù)下去。”
這個“實驗的核心”是一個使BEC避光的陷阱，然而，保護BEC不受冷卻激光器產(chǎn)生的光的影響，雖然在理論上很簡單，但在實踐中又有點困難。團隊面臨的不僅有技術(shù)上的障礙，還有監(jiān)管環(huán)境上舉步維艱的局面。
早在2012年，當(dāng)時還在因斯布魯克的團隊就實現(xiàn)了一種技術(shù)，使BEC免受激光冷卻光的影響，首次實現(xiàn)了激光冷卻到相干波所需的簡并態(tài)。而要想更進一步，還需要一臺專用的機器。六年后，也就是2019年末，這項實驗終于要成功了。
研究人員們想通過增加一束額外的激光束來解決最后一個技術(shù)難題。論文第一作者 Chun-Chia Chen表示：“很快我們拍攝的每一張圖像都顯示了BEC，第一個連續(xù)波BEC。”
據(jù)悉，該團隊目前正在尋找一種穩(wěn)定的物質(zhì)光束，這可以幫助科學(xué)家們開發(fā)與目前使用的光學(xué)激光器類似的激光應(yīng)用。這項新突破近日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。
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