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                                                                  优德88官网欢迎您_怎样“玩转”单原子?激光冷却捕捉
                                                                  作者:优德88官网欢迎您无锡证券 2018-08-07 08:19 179

                                                                    建造:中国科学院武汉物理与数学研究所 许鹏 刘敏

                                                                    监制:中国科学院计较机收集信息中心

                                                                    原子的英文名(Atom)是从希腊语?τομο?(atoms,“不行切分的”)转化而来,其界说为化学变革中不行支解的最小单位。凡是一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间。对付这样一种比头发丝直径还小几千几万倍的物体,乃至连天下上最慎密的光学显微镜都无法直接视察,我们可以把它抓住,恣意地哄骗它吗?

                                                                    连量子力学的奠定人之一,巨大的物理学家薛定谔都对此暗示极大的猜疑:“我们从来没有效一个电子、原子可能其他分子做过尝试。在构思的尝试中,我们的假设老是导致好笑的效果……”。

                                                                    但陪伴着科技的成长和前进,在六十年前不行想象的尝试,此刻不只在尝试上实现了单个电子、单个离子、单个原子等的囚禁和操控,并且其相干的尝试技能已经活着界各地尝试室得普及应用。

                                                                    个中2012年诺贝尔物理学奖还授予塞尔日?阿罗什和大卫?维因兰德,以表扬他们别离独立发现并拓展了在保持单个粒子量子力学特征的条件下,丈量和哄骗它们的要领。

                                                                    那么在这些单粒子中,单个原子到底是怎样被捕捉?又怎样让这些单原子凭证我们的意愿去动作呢?

                                                                    捕捉单原子的两种方法

                                                                    一是回收扫描地道显微镜(STM)或原子力显微镜等在固体外貌捕捉并哄骗单个原子。

                                                                    典范的事变是由IBM的科学家在二十世纪九十年月完成的,他们回收STM移动吸附在金属外貌的原子来分列成各类外形,尤其是用48个铁原子在铜外貌形成半径为7.13纳米的量子空心围栏,并调查到囚禁外貌态电子形成的驻波。

                                                                    这种方案首要用于研究外貌电子与原子的彼此浸染、无缺陷外貌电子波衰减、电子与声子激子彼此浸染等。

                                                                    另一种要领例是回收激光冷却并捕捉气相中的单个原子。

                                                                    典范的事变是在超高真空中回收磁光阱将原子冷却到靠近绝对零度(其典范温度在绝对零度之上的万分之一度)并囚禁,然后回收一个很是小的光阱,从中“挑”出一个原子。

                                                                    在这种环境下,一个原子险些从情形中孤├出来,是一个典范的量子系统,它将会揭示出一系列匪夷所思的特征,如既是波又是粒子的波粒二象性(单原子物质波),既死又活的薛定谔猫态(单原子电子叠加态)、此刻所走的路径取决于将来的选择(单原子的惠勒耽误选择尝试)等。

                                                                    为了调查到这些怪异的征象,我们必要将室温下的原子冷却到极低温的状态,意味着将原子的速率从几百米每秒降到几米乃至几厘米每秒。

                                                                    怎样实现呢? 1997年诺贝尔物理学奖的得主们说,用激光!

                                                                    原子冷却及单原子捕捉

                                                                    在先容激光冷却的道理之前,各人必要先相识两条根基的法则:

                                                                    1。原子会接收频率与其能级固有频率共振的光子,越共振越轻易接收。

                                                                    2。多普勒效应。原子逆着光撒播偏向行为时,感觉到的激光频率会变大,反之感觉到激光频率则变小。

                                                                    当原子在频率略低于其能级固有频率且相向撒播的一对激光束中行为时,因为多普勒效应,原子倾向于接收与其行为偏向相反的光子,接收后,再向各个偏向各向同性地自发辐射出光子。

                                                                    均匀来说,激光对原子的浸染就是发生一个与原子行为偏向相反的阻尼力,从而使原子向前的速率越来越慢。只要在空间加上三对相互对射的激光束,那在三维空间六个偏向上原子的速率城市被减慢下来。

                                                                    这就是斯坦福大学的朱棣文其时用于冷却原子的“光学糖浆(Optical molasses)”,意指原子在内里就像小虫子飞到糖浆里一样寸步难行。

                                                                  图中演示了速率为 的原子与动量为 的光子相遇后,接收光子后速率减小了  ,然后各向同性开释光子后原子的总速率比最初低落了。

                                                                    图中演示了速率为 的原子与动量为 的光子相遇后,接收光子后速率减小了 ,然后各向同性开释光子后原子的总速率比最初低落了。

                                                                  是尝试室拍到的三对激光形成的光学糖浆。

                                                                  是尝试室拍到的三对激光形成的光学糖浆。

                                                                    但这样的“光学糖浆”只能将原子减速冷却下来,并不能捕捉原子。

                                                                    要想抓住单个原子,必要好几种技能的共同。

                                                                    起首是将原子囚禁在由特定梯度磁场与偏振激光相团结的磁光阱中。但这种磁光阱中囚禁下来的原子数量较量多,可以到达1010(和全天下生齿差不多),温度在100微开阁下(就比绝对零度高万分之一度)。

                                                                    对付单原子研究来说,这么多原子其实是太多了,奈何才气做到“弱水三千,只取一瓢”的地步呢?

                                                                    有一种很简朴的要领:做一个超等小的阱,小到仅能容纳一个原子。法国科学家在2001年将一束远红失谐的激光聚焦到核心半径小于1微米时,在核心处就形成了一个这样的光偶极阱。

                                                                    把这样一个阱放到磁光阱中后,科学家就像挖了陷阱的猎人一样守候:当有一个原子掉到光阱中时,磁光阱立即封锁,遏制向光阱中继承装原子,这样就完成了单原子的捕捉;万一有两个及以上的原子同时掉到光阱中,因为各类辐射逃逸及碰撞丧失机制,会让这些原子以“迅雷不及掩耳之势”从阱中会逃脱,快到我们都无法回响。通过这样简朴而有用的机制,我们就可以捕捉到单个原子,并进一步研究它的相干性子了。

                                                                  单原子光偶极阱表示图及阱中单原子信号

                                                                  单原子光偶极阱表示图及阱中单原子信号

                                                                    既“死”又“活”的单原子

                                                                    闻名的“薛定谔猫”把微观放射源所处的量子叠加态奇妙地与宏观的猫接洽起来,,形成了反直觉的既“死”又“活”的猫。

                                                                    而这种令人疑惑且受惊的量子叠加态所引起的争论至今还没有平息,个中最闻名当属爱因斯坦的“天主永久不会掷骰子”。对付单个原子来说,现实环境到底怎样,我们来看看尝试的功效怎样。

                                                                    图3表现了我们用上面的要领抓住一个单原子后,用拉曼光把原子制备到自旋向上和向下的叠加态,再探测原子处于自旋向上照旧向下的状态。