超冷原子云可為熱振動製冷
- 發佈時間：2014-11-29 01:30:58 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報訊 瑞士巴塞爾大學物理學家開發出一種新的製冷技術，用超冷原子氣體作製冷劑，把一種膜振動冷卻到絕對零度以上1攝氏度之內。這一技術可用於給量子機械系統製冷，有望讓量子物理實驗系統變得更大，並帶來新的精密檢測設備。相關論文發表在最近的《自然·奈米技術》雜誌上。
超冷原子氣體是目前最冷的物質之一，是用鐳射束把原子陷落到一個真空室內，使它們運動得越來越慢，由此溫度達到絕對零度以上不足百萬分之一攝氏度。在這種溫度下，原子服從量子物理法則：它們就像一個個小波包那樣來回運動，能同時處在多個位置並互相疊加。目前已有許多技術利用了這些特徵，如原子鐘及其他精密檢測儀器。
在新研究中，巴塞爾大學物理系教授菲利普·圖特萊恩領導的研究小組就是用這種超冷氣體作為製冷劑，把一塊1毫米見方的振動膜冷卻到絕對零度以上不足1攝氏度。據物理學家組織網近日報道，該膜是一塊50奈米厚的氮化硅膜，上下振動就像一面小鼓的鼓皮。這種機械振動是永遠不會完全靜止的，它表現了一種熱振動，取決於膜的溫度。
由於原子極微小，迄今造出的最大原子云也只有幾十億個超冷原子組成，比一粒沙子包含的粒子數還少，所以原子云製冷的力量極為有限。
“這裡的訣竅是，希望膜以何種模式振動，就把原子的全部製冷力量都集中到這種振動模式上。”研究小組成員安德里亞·喬克爾説，原子和膜之間的相互作用由鐳射束引起，“鐳射對膜和原子産生了壓力，膜的振動改變了光對原子的壓力，反之亦然。”鐳射能跨越幾米遠的距離傳遞製冷效應，所以原子云無需直接與膜接觸。這種連接作用還可以通過兩面鏡子組成的光學共振器放大，膜在兩面鏡子之間，就像三明治。在本實驗中，雖然薄膜包含的原子數是原子云的10億倍，研究人員還是觀察到了很強的製冷效應。
以往科學家只是理論上提出，可以用光來連接超冷原子和機械振蕩。本研究是世界上首次在實驗中實現了這一系統，並用它來給振蕩物體製冷。研究人員指出，如果進一步改進該技術，還可能把膜振動製冷到量子力學基態。
對研究人員來説，用原子冷卻膜只是第一步。圖特萊恩説：“與光致作用相結合，能很好地控制原子的量子性質，這為量子膜控開闢了新的可能。”人們有可能用相對宏觀的機械系統來做量子物理實驗，以前所未有的精確度檢測膜振動，反過來開發出針對微小力和品質的新型感測器。
（常麗君）
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