激光制冷技術
激光技術作為二十世紀的四大發明之一,與計算機、半導體和原子能技術并駕齊驅,在許多工業中得到了廣泛的應用,然而說到激光,大多數人能想到的往往是它在機械加工中的應用。
事實上,除了工業切割,焊接,和醫療美容的應用..激光還有許多其他用途,例如在制冷方面。激光冷卻的概念最早是蘇聯學者在1962年提出的,在這一概念被學術界關注之前,蘇聯學者在沉默了一段時間之后才提出,1985年,美國華裔著名科學家朱棣文利用激光凍結原子,成功實現了低溫環境,并因這項發明獲得1997年物理學獎。
多普勒冷卻技術
那么為什么激光器會制冷呢?一般來說,物體的原子總是不規則地運動,這在物理學中被稱為熱運動,原子的運動越劇烈,物體的溫度越高,溫度越低..因此,如果有辦法降低原子的運動速度,就可以降低物體的溫度,激光制冷的原理一般可以理解為利用大量的光子阻擋原子的運動,以降低原子的運動速率,進而達到降低物體溫度的目的。
激光是一束高度集中的能量,因為它發射的光粒子有一個統一的方向,當激光束進入人體時,由于大量粒子進入人體,物體中的粒子變得如此擁擠,不能像以前那樣“跳躍”,從而減少了分子的熱運動。
1995年,達諾基團隊使用多普勒冷卻技術,將銫原子冷卻到2.8nk的低溫。德國伯恩大學(universityofbern)的物理學家們利用這項技術實現了高密度的光子濃度,這是一種很有前途的太陽能電池技術,它將在陰天保持電池的效率。
反斯托克斯熒光制冷技術
多普勒冷倒是激光制冷中最基礎的機制,起初又發展出一種名為反斯托克斯熒光制冷技術,這種技術的理念最早由P.Pringsheim于1929年提出。
1995年,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室空間制冷技術研究組的愛潑斯坦和他的同事首次成功地通過激光誘導的抗斯托克斯熒光在固體材料上獲得了可測量的制冷量。
1999年,低溫物理學家E.用摻雜藍寶石激光器激發GaAs/GaAl半導體量子井材料的空穴激子,實現空穴激子的反斯托克斯熒光發射。給出了不同溫度下制冷效率與制冷溫度的關系。
2010年,科學家利用激光將分子冷凍到接近絕對零度,這是單分子激光制冷首次達到如此低溫,這是制造量子計算機、控制物質化學和物理過程的一大進步。
隨著技術的不斷發展,激光冷卻開始獲得許多應用,例如原子刻蝕、原子光學、高分辨率、原子鐘、光鑷等基礎研究。該技術還可用于金屬焊接和人體手術,相信在未來,這項技術會得到更廣泛的應用。