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什么是激光冷卻？

這是一種利用激光將氣體溫度降低到接近絕對零度的方法。

激光冷卻的目的和背景是什么？

當(dāng)時(shí)（20世紀(jì)）的科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。玻色-愛因斯坦凝聚是一種現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，許多被稱為“玻色子”的粒子在接近絕對零度的溫度下表現(xiàn)為相同形狀的波。

此外，為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性和超流體性，還需要使其溫度極低。

激光冷卻的細(xì)節(jié)是什么？

如上所述，激光冷卻的目的是降低氣體的溫度。首先，什么是溫度？從微觀上講，它是組成氣體的粒子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度就越高。運(yùn)動(dòng)越平靜，溫度就越低。因此，“降低溫度”就相當(dāng)于“盡可能地停止組成氣體的粒子的運(yùn)動(dòng)”。

那么，我們怎樣才能盡可能地停止運(yùn)動(dòng)呢？正如你可以從“激光冷卻”的名字中看出的，它涉及到用激光照射粒子。下面，我們將特別討論原子的冷卻問題。

如圖所示，激光從上、下、前、后、左、右六個(gè)方向照射到待冷卻的原子。換句話說，這六個(gè)是xyz軸的正負(fù)方向。

那么什么是激光呢？激光器是波長一致的光。為什么要使波長相同？?因?yàn)樵佑刑囟ǖ牟ㄩL，很容易被吸收。原子并不是吸收任何波長的波。

這里的關(guān)鍵點(diǎn)是，被照射的激光的波長應(yīng)該比容易被目標(biāo)原子吸收的波長稍長一些。為什么？這是因?yàn)槟繕?biāo)原子在移動(dòng)。那他們移動(dòng)有什么問題？

原子也具有波的性質(zhì)。正如你從多普勒效應(yīng)中看到的，相對的波的波長被認(rèn)為更短。

假設(shè)我們準(zhǔn)備了“適合”的波長，很容易被目標(biāo)原子吸收。然后，如上圖所示，在波面移動(dòng)的原子會(huì)感到波長比那個(gè)波長短。因此，激光不會(huì)被充分吸收。這就是為什么我們用稍微長一點(diǎn)的波長照射激光束，這樣運(yùn)動(dòng)的原子就能很好地吸收它。

如果它向相反的方向移動(dòng)呢？

這不是問題。因?yàn)榧す馐鴱牧鶄€(gè)方向發(fā)射，它們將控制原子在相反方向的運(yùn)動(dòng)。

此外，后向的激光束不會(huì)使物體加速。這是因?yàn)榧す獠晃仗囟úㄩL以外的波。在向同一方向運(yùn)動(dòng)的波的情況下，多普勒效應(yīng)使波長看起來比實(shí)際長。

原子的原始動(dòng)量和被輻射的光的動(dòng)量之間存在守恒定律。因此，目標(biāo)原子的運(yùn)動(dòng)是平靜的。

1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予朱棣文、克勞德·科恩·塔努吉和威廉·D·菲利普斯，以表彰他們利用激光冷卻和捕獲原子的方法。