激光,激光和我們的日常生活有什么關系?“沒有激光這日子可不好過,我們在打印機、CD播放器、指針、測量設備等中都需要使用激光。激光之所以如此特殊,是因為它們使用的是相干光波:激光內部的所有光都完全同步振動。同時,量子力學告訴我們,像原子這樣的粒子也可以被認為是波。因此,我們可以建造包含物質相干波的原子激光器。”科學家們解釋說。但是,科學家能否使這些物質波持續下去,以便在應用中使用它們呢?一個來自荷蘭的物理學家組成的團隊用實驗證明,完全可以。
原子激光器的基本概念是玻色-愛因斯坦凝聚體,簡稱BEC,自然界中的基本粒子有兩種:費米子和玻色子。費米子是像電子和夸克一樣的粒子,是構成我們物質的基石。玻色子最著名的例子是光子,但物質粒子也可以結合形成玻色子,也就是說整個原子的行為就像光粒子一樣。玻色子之所以如此特殊,是因為它們可以在同一時間處于完全相同的狀態,或者用更專業的術語來表述:它們可以“凝聚”成相干波。當物質粒子發生這種凝聚時,物理學家稱其為玻色-愛因斯坦凝聚。
事實上,在物理學家能夠制造出連續激光器之前,普通的光學激光器也是以脈沖形式制造的。但是,盡管光學激光器的發展非常迅速,第一臺連續型激光器在脈沖激光器問世后的六個月內生產出來,但對于原子激光器來說,連續型激光器在25年多的時間里仍然是天方夜譚。問題很明顯:BEC非常脆弱,當光線照射到它們時,它們會很快被摧毀。然而,光的存在對凝結效應至關重要:要將物質冷卻到百萬分之一度,需要使用激光冷卻其原子。因此,BEC僅限于短暫的爆發,無法連貫地維持它們。
荷蘭的科學家團隊現已成功解決了創造連續玻色-愛因斯坦凝聚體的難題。團隊負責人表示:“在以前的實驗中,原子的逐漸冷卻都是在一個地方完成的。在我們的實驗中,我們決定將冷卻步驟不是在時間上而是在空間上展開,我們讓原子在通過連續冷卻步驟的過程中移動。最后,超冷原子到達了實驗設施的中心,在那里它們可以用來在BEC中形成相干物質波。但是,當這些原子是由于使用了新的原子,新的原子已經開始補充BEC。通過這種方式,我們可以讓這一過程繼續下去——基本上是永遠持續下去。”
在解決了創造連續玻色愛因斯坦凝聚體這一關鍵問題后,科學家們現在已經確定了下一個目標:利用激光創造穩定的物質輸出光束。一旦他們的激光器能永遠工作,而且還能永遠產生穩定的光束,就再也沒有什么能阻擋技術應用的道路了。