法國(guó)物理學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下在冷原子云中制造了一種隨機(jī)激光。數(shù)十年前，這種隨機(jī)激光現(xiàn)象最初在星云中被觀察到，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，此項(xiàng)研究能夠?yàn)樽杂杉す猱a(chǎn)生的必備條件和相關(guān)研究提供一些基本觀點(diǎn)，同時(shí)也能夠增進(jìn)我們對(duì)天體物理學(xué)的理解，甚至能夠促進(jìn)此類現(xiàn)象的一些實(shí)際應(yīng)用研究。
傳統(tǒng)的激光器通常包括一個(gè)增益介質(zhì)(固體、液體或氣體)，并以三明治結(jié)構(gòu)夾在兩個(gè)反射鏡之間。激光光束在光學(xué)諧振腔內(nèi)往復(fù)多次振蕩，以受激輻射方式形成一個(gè)逐漸增強(qiáng)的相干光場(chǎng)。在隨機(jī)激光器中，不需要反射腔鏡，光從位于增益介質(zhì)中隨機(jī)位置的粒子處獲得增益并被放大，與傳統(tǒng)激光器相似，這種方式也是受激輻射放大機(jī)制。然而，由于光束的光程是隨機(jī)的，輸出的并非一個(gè)激光光束，而是各個(gè)方向上的多個(gè)相干光。
隨機(jī)激光過(guò)程是在1960 年首次提出的，它解釋了一些星云氣體中某些特殊的發(fā)射譜線產(chǎn)生的輻射光強(qiáng)度大于理論值的原因。實(shí)際上，隨機(jī)激光可以用液態(tài)懸浮液和固體粉末作增益介質(zhì)來(lái)獲得，在這類激光器中，使光發(fā)生散射的粒子是傳統(tǒng)形態(tài)的增益介質(zhì)，比如氧化鋅顆粒——而天文學(xué)家認(rèn)為在星云氣體激光中原子是使光發(fā)生散射的粒子。
禁戒躍遷
法國(guó)科學(xué)研究中心非線性研究所的Robin Kaiser 和他的同事們利用困在磁光阱中的冷銣-85原子云搭建了一臺(tái)激光器，他們使用一束泵浦光在同一電子軌道的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)上實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，接著注入一束可調(diào)諧波長(zhǎng)的激光，以實(shí)現(xiàn)粒子向低能受激輻射級(jí)躍遷并同時(shí)發(fā)生光放大。制造隨機(jī)激光器的關(guān)鍵點(diǎn)是要確保發(fā)射激光被原子散射，而非被原子重新吸收。通過(guò)調(diào)諧注入激光波長(zhǎng)，使得輻射光的波長(zhǎng)位于原子禁戒躍遷范圍之內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光的散射效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光的頻率與原子禁戒躍遷頻率完全相同時(shí)，輸出激光強(qiáng)度激增——這證明了輻射發(fā)光過(guò)程被隨機(jī)激光過(guò)程加強(qiáng)。
這種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的隨機(jī)激光器中，首次證明了光子被原子散射的現(xiàn)象的存在，這與星云氣體中的現(xiàn)象本質(zhì)上是一樣的。然而氧化鋅顆粒輻射壓力的影響是不重要的，光子散射會(huì)導(dǎo)致可測(cè)量的原子反沖。自由激光過(guò)程的各類現(xiàn)象對(duì)天體物理學(xué)是否有宏觀上的影響仍然沒有定論，然而，“理論上說(shuō)，如果在輻射過(guò)程中加入更多受激輻射，輻射壓力會(huì)轉(zhuǎn)變，這是可能的，”Kaiser解釋說(shuō)，“因此我們能夠獲得有吸引力的輻射壓力組件。”他指出，研究人員觀測(cè)到的冷原子振蕩云與造父變星有相似之處，在重力和輻射壓力之間達(dá)到一種平衡。因此應(yīng)該能在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到負(fù)輻射壓力信號(hào)。
Kaiser希望以上思路能夠在實(shí)驗(yàn)室使用氣體隨機(jī)激光器中得到驗(yàn)證，然而他也指出，在他們的研究設(shè)備和星云氣體激光之間仍存在著明顯的差異。磁光阱中的原子溫度低至50μK，但是在星云氣體激光中卻處在高溫狀態(tài)；研究人員用另一束激光做隨機(jī)激光的泵浦光，而星云氣體是由廣譜恒星發(fā)出的光泵浦的。Kaiser希望能夠優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來(lái)獲得更接近實(shí)際星云環(huán)境的狀態(tài)。“我希望能夠與更多的天文學(xué)家交流，以找到更加合理和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，”他如是說(shuō)。
量子效應(yīng)
Diederik Wiersma是佛羅倫薩大學(xué)的一位無(wú)序光子學(xué)領(lǐng)域的專家，他對(duì)此項(xiàng)工作印象深刻。他認(rèn)為除了輻射壓力以外，也有可能研究其他現(xiàn)象，比如糾纏態(tài)原子的光子散射現(xiàn)象和原子和光子之間發(fā)生的量子干涉現(xiàn)象。“你可以利用光子選擇運(yùn)動(dòng)路徑的知識(shí)，”他解釋說(shuō)，“如果你這樣想，量子力學(xué)的觀點(diǎn)會(huì)告訴你它不再是像一個(gè)波了。”
在更遠(yuǎn)的未來(lái)，Wiersma認(rèn)為此系統(tǒng)有助于量子計(jì)算。“已經(jīng)有人提出建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，”他說(shuō)，“在此網(wǎng)絡(luò)中，你可以利用光連接方法來(lái)連接同一量子態(tài)不同位置處的物質(zhì)。”
此項(xiàng)研究已發(fā)表在Nature Physics上。
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