第404章 心靈捕手（1/2）

「回顧了一遍熱的成因後，我們就能繼續下一步了，如何有效地冷卻？很簡單，把微觀粒子的運動速度降下來。生活中，降溫的方法很多很多，然而，要想得到全宇宙最低的溫度，就必須使用雷射！正常的室溫條件下，空氣中大氣分子的運動速度高達每秒幾百米，這跟某些槍的初速差不多。即使溫度低到零下270℃，也會有一部分微觀粒子的速度達到每秒幾十米。因此，要讓分子原子的運動速度大大降低，著實不是一件容易的事。

原子、分子那么小，你要讓它們的速度降下來，不可能用一些粗暴的辦法，因為它們太小了，一個好辦法是，用一些更小的粒子去『撞擊』抵消它們的速度，這就類似於，一輛迎面而來的小車，它處在自由滑行的狀態，為了降低它的速度，你可以不斷地向它扔石頭，每砸一次，小車的速度降低一些，直到降低到我們想要的速度。

那麼，用什麼來「撞擊」分子或者原子呢？最適合的莫過於光子了。我們都知道，光子會產生一種壓力，這就是光壓。科幻中或者設想中的太陽帆就是利用無數的光子作為推力的。」

說到這裡，底下的機靈鬼朱蒂文老同學舉手提問了：「說得輕巧，但是你知道嗎？分子的運動是無規則的，有的迎面向你運動，這好辦，有的卻是同向運動，你把光子扔過去，遇到迎面的分子，這自然能降低它們的速度，但是，如果分子的運動方向跟光子相同，你豈不是又增加了分子的運動速度？這麼一搞下來，等於是做無用功。」

葉華點頭笑道：「這個疑問非常有道理，這也是無數人在理解雷射冷卻時必然會遇到的一個問題。要度過這道坎，咱們得從原子的能級說起，原子就是原子核加上原子核外面的眾多電子。而電子在原子核外面的排布是分極的。舉個不準確但是非常形象的比喻就是，原子核就是太陽，電子就是行星。跟太陽系所不同的是，電子只能從這個軌道躍遷到另一個軌道，絕不會待在兩個軌道之間的某一個位置。也就是說，如果地球是一個電子，那麼，它要麼獲得能量後，躍遷到火星的軌道，或者失去能量，降到金星的軌道，決不能處在地球軌道和火星軌道的中間。

就像一棟電梯樓，有的電子處在第一層，它的能量最低，此時我們稱為基態，有的電子處在第二層，有的處在第三層……顯然，電子要想從第1層躍遷到第2層時必須要獲得能量：比如捕獲某個光子，這個光子的能量恰好等於第1層和第2層之間的能量差。而電子從第3層躍遷到第2層時，顯然電子的能量值就降低了，但是能量不能憑空消失，所以，電子減少的那一部分能量會作為一個光子發射出去，而這個光子的能量恰好等於第3層和第2層之間的能量差......

上文中，咱們已經知道，朝原子發射光子，就能讓迎面而來的原子速度降低，然而，難點是，原子的運動方向如果跟光子相同，就會加快原子的運動速度。不過，在回顧了上文中原子的能級後，我們已經明白：不是所有的光子，原子都能吸收！

底下的朱蒂文同學越聽越興奮：「既然這樣，可不可以讓迎面而來的原子吸收我們發射的光子，而同向而去的原子不吸收？」

葉華微微一笑，「當然可以了，根據什麼呢？都卜勒效應。我們知道，迎面而來的火車，其聲尖銳，因為火車發出的聲波跟火車一個方向，聲波被『擠壓』，頻率升高了；同理，逐漸遠去的火車，其聲音的音調變低，因為聲波被『拉伸』，頻率降低。光既是粒子也是電磁波，如果光是迎面而來，那麼被壓縮，光的頻率就會升高，如果光是遠離而去，光的頻率就會降低。

頻率決定了光的能量，比如紫外線的頻率比紅光的高，所以紫外線能量能紅光的高。而剛才我們說了，原子只能吸收固定的能量，換句話說，原子只能吸收某種頻率的光子，這個頻率就是原子的固有頻率。

接下來，就好辦了。當我們要想冷卻某種原子的時候，發射一束頻率比該原子固有頻率稍低的光子，此時，對於迎面而來的原子來說，這束光子的頻率會升高，高到恰好等於該原子的固有頻率，於是被吸收，然後被減速。而對於運動同向的原子呢，這束光的頻率會降低，就不能吸收了。這，就是雷射冷卻和俘獲原子的方法原子的原理！」。

隨後，葉華開啟蘋果電腦，用PPT介紹了一套簡易的用Rb原子冷卻和俘獲的實驗裝置。採用注入鎖定技術，獲得了波長為780 nm （單頻，頻率波動<2 MHz，頻率調諧範圍4.5 GHz）、輸出功率為60 mW的冷卻光.通過在飽和吸收上加磁場的方法，實現了冷卻光的偏頻（10 MHz）負失諧鎖定;採用磁光阱系統，實現了原子的冷卻和俘獲。

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