主题：【原创】从凝聚态物理开始乱侃. (一)背景知识 -- 衲子

这种人造的极端条件就是极低温. 运用光学蜜糖、光磁陷阱、磁阱等手段，我们现在可以达到1纳K的极低温，也就是仅仅比绝对零度高10的负9次方度。 这种低温条件使得一些物理现象成为可能，如玻色－爱因斯坦凝结（2001年度的诺贝尔物理奖授于了在实验上验证玻－爱凝结的三位科学家Cornell, Ketterle, 和Weiman, 见下一节）。

这一节先粗略地谈谈激光制冷的方法，所谓“光学蜜糖”。 这个形象的名字是由华裔科学家朱棣文提出的（他获得1997年的炸药物理奖，由于他在激光制冷上所做的贡献）。

所谓制冷，就是要降低粒子的热运动。 说到这，想起一部电影“Mask”（面具）里面， 一帮警察在追捕Jim Carrey（吉姆.凯瑞？）, 一个警察看到了Jim Carrey, 于是大喝一声"Freeze!"(不许动!), Jim Carrey顿时保持原姿势一动不动, 整个人便结成了冰. 这很形象地表示了"动"与"温度"的关系.

那么,怎样才能使粒子们尽量不动呢? 考察下面的实验设置: 一个原子的最低能级是E1, 第一激发态的能量为E2. 它要从基态跃迁到激发态, 必须吸收一个能量不小于E2-E1的光子[图二]. 光量子的能量正比于频率, 与光的强度无关.(爱因斯坦就是为此而得炸药奖, 不是因为相对论!) 光子是带动量的, 由于动量守恒, 原子在吸收光子后便也获得了它的动量. 看一维的例子: 我们从左右双向向处于基态的原子照射光量子能量略小于E2-E1的激光[图三]. 假设原子在向右运动, 由于多普勒效应[a], 它看到右面射来的激光频率变高, 于是原子刚好能吸收光子2, 跃迁到激发态. 它同时也吸收了光子2的动量, 因为光子2的方向与原子的运动方向相反, 所以原子的速度便减慢. 若原子在向左运动, 推理相仿.

E2 ______ (第一激发态) __●__

吸收一个能量不小于E2-E1的光子==>

E1 __●__ (基态) ______

[图二]

----∨∨∨∨∨∨--> ●---＞ <--∨∨∨∨∨∨----

光子1, 能量=hν, 动量朝右 原子向右动 光子2, 能量=hν, 动量朝左

(hν 略小于E2-E1)

[图三]

于是, 无论原子朝哪里运动, 都会受到一个与其运动方向向反的"阻力", 就像一个虫子在蜜糖里爬动一样, 故而名为"光学蜜糖"以上只是最粗略的描述, 没有谈到其它机制, 比如原子到达激发态后又会发射荧光光子 回到基态, 这样它又获得一个反冲力, 这就妨碍了它"不动"的程度. 所以这个最原始的光学蜜糖只能把温度降到毫开尔文(K)的量级. 幸运的是, 如果原子的基态和激发态有自旋造成的简并, 那么在适当的条件下, 我们能使这些个原子周而复始地对外作功, 于是降低了它们的动能. 我们把这叫做西西弗斯机制. 因为这就像希腊神话中的国王Sisyphus(西西弗斯), 因作恶多端, 死后堕于地狱, 被罚推石上山, 但推上又滚下, 永不停息.

(待续)

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脚注

[a] 多普勒效应. 你站在月台上, 迎面飞驰而来的列车鸣笛声显得很尖锐(频率高); 而一旦它从你身旁经过, 离你远去, 笛声顿时沉闷起来(频率低), 此多普勒效应也.

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