科学家制造出可持续稳定的原子激光器

　　如今，从家庭使用的打印机、CD 播放器到工业应用中的测量仪器和加工设备，激光技术在人们的日常生活中已随处可见并且发挥着重要的作用。激光之所以如此特殊，是因为它们使用相干光波：激光内部的所有光都完全同步振动。

　　同时量子力学告诉我们，像原子这样的粒子也应该被认为是波。因此，我们可以建造包含物质相干波的“原子激光器”。但是能否使这些物质波持续下去，以便在应用中使用它们？ 6 月8 日发表在《自然》杂志上的一项研究表明，荷兰阿姆斯特丹大学的一个物理学家团队找到了这个问题的答案。

　　让玻色子同步行进

　　原子激光器的基本概念是所谓的玻色- 爱因斯坦凝聚体，简称BEC。自然界中的基本粒子有两种：费米子和玻色子。费米子是像电子和夸克一样的粒子，是构成物质的基石。玻色子在性质上有很大的不同，它们不像费米子那样硬，而是软的。例如，它们可以自由地在彼此之间移动穿梭。玻色子最著名的例子是光子，它是最小的光量单位。

　　但物质粒子也可以结合形成玻色子。事实上，整个原子的行为就像光粒子一样。玻色子之所以如此特殊，是因为它们可以在同一时间处于完全相同的状态，或者用专业术语表述为它们可以“凝聚”成相干波。当物质粒子发生这种凝聚时，物理学家称其为玻色- 爱因斯坦凝聚。

　　在日常生活中，我们对这些冷凝物一点也不熟悉。原因是，很难让所有原子都表现为一个整体。破坏同步性的罪魁祸首是温度，当物质加热时组成粒子开始抖动，几乎不可能让它们像一个整体一样运动。只有在极低的温度下，即绝对零度以上约百万分之一度（摄氏度范围内约为零下273°），才有可能形成 BEC 的相干物质波。

　　转瞬即逝的爆发

　　四分之一个世纪前，第一批玻色- 爱因斯坦凝聚体在物理实验室中诞生。这为制造原子激光器提供了可能性，这种装置可以输出物质束，但这些装置只能在很短的时间内发挥作用。激光可以产生物质波脉冲，但在发出这样的脉冲后必须在发出下一个脉冲之前创建一个新的BEC。

　　对于迈向原子激光器的第一步来说，这还不错。事实上，在物理学家能够制造出连续激光器之前，普通的光学激光器也是以脉冲形式制造的。但是，尽管光学激光器的发展非常迅速，第一台连续激光器在脉冲激光器问世后的6 个月内生产出来，但对于原子激光器来说，连续型激光器在25 年多的时间里仍然难以捉摸。

　　问题出在BEC 非常脆弱，当光线照射时它们会很快被破坏。然而，光的存在对凝结水的形成至关重要，要将物质冷却到百万分之一度就需要使用激光冷却原子。因此，BEC 仅限于短暂的爆发，无法连贯地维持它们。

　　一份圣诞礼物

　　阿姆斯特丹大学的一个物理学家团队现已成功解决了创造连续玻色- 爱因斯坦凝聚体的难题。团队负责人Florian Schreck 解释了其中的奥秘。在以前的实验中，原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的。在他们的设置中，研究人员决定将冷却步骤不是在时间上而是在空间上展开。让原子在通过连续冷却步骤的过程中移动。最后，超冷原子到达实验中心，在那里它们可以用来在BEC 中形成相干物质波。但是，当这些原子在使用中，新的原子已经开始补充BEC。通过这种方式，可以让这一过程始终持续下去。

　　虽然基本想法相对简单，但实施起来并不轻松。研究论文的第一作者Chun-Chia Chen 回忆说，早在2012 年，当时还在奥地利因斯布鲁克的研究团队就实现了一种技术，可以保护 BEC 免受激光冷却光的影响，从而首次实现激光冷却，直至达到相干波所需的简并状态。虽然这是朝着构建连续原子激光器迈出的关键第一步，但同样清楚的是，需要一台专用机器来推动这一进程。

　　Chun-Chia Che 继续谈到：“在2013 年搬到阿姆斯特丹时，我们开始了信念的飞跃、借来的资金、一个空房间和一个完全由个人赠款资助的团队。6 年后在2019 年圣诞节的凌晨，实验终于开始工作了。我们的想法是增加一个额外的激光束来解决最后一个技术难题，我们拍摄的每张图像都立即显示出 BEC，这是第一个连续波BEC。”

　　在解决了创造连续玻色- 爱因斯坦凝聚体这一长期悬而未决的问题后，研究人员现在已经确定了下一个目标，利用激光创造稳定的物质输出光束。一旦他们的激光器不仅能永远工作，而且还能产生稳定的光束，就再也没有什么能阻挡技术应用的道路了，物质激光器可能会开始在技术上发挥与目前普通激光器同等重要的作用。

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