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相干物质波 荷兰制造出一道连续的原子激光

一项新的突破使物理学家能够创造出一束原子激光，其行为与激光相同，但理论上可以“永远”存在。

该技术最终或许可走向实际应用，尽管目前还存在重大限制。

尽管如此，对于所谓的“原子激光”来说，这是向前迈出的一大步——由原子组成的束以单波的形式行进，有朝一日可用于检验基本物理常数和工程精密技术。

第一个原子激光器是由麻省理工学院的一个物理学家团队在 1996 年创造的。这个概念听起来很简单：就像传统的基于光子的激光由同步移动的光子组成一样，具备波粒二象性的原子，也可以以波的形式同步振动。

然而，与科学中的许多事物一样，想起来起来做起来难。原子激光的根源是一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态或 BEC 的物质状态。

BEC 需要将玻色子云冷却到略微高于绝对零度的温度——在如此低的温度下，原子会掉入到它们可能的最低能量状态但不会完全静止。

当它们达到这些低能量时，粒子的量子特性不再相互干扰；它们彼此靠得足够近以产生某种重叠，从而形成高密度的原子云，其行为就像一个“超级原子”或物质波。

然而，BEC 有点自相矛盾。它们非常脆弱；即使是光也会破坏 BEC。鉴于 BEC 中的原子是使用激光冷却的，这通常意味着 BEC 的存在转瞬即逝。

迄今为止，科学家们已经设法实现的原子激光是脉冲的，而不是连续的。

为了创建一个连续的 BEC，荷兰阿姆斯特丹大学的一组研究人员意识到需要改变一些东西。

“在之前的实验中，原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的。在我们的设置中，我们决定不随着时间的推移，而是在空间中分散冷却步骤：我们让原子在通过连续的冷却步骤时移动。”物理学家弗洛里安·施雷克解释道。“最后，超冷原子到达了实验的核心，在那里它们可以用来在 BEC 中形成相干的物质波。但是在使用这些原子的同时，新的原子已经在补充 BEC 的路上。通过这种方式，我们可以让这个过程继续进行——基本上是永远。”

那个“实验的核心”是一个让 BEC 避光的陷阱，一个可以在实验运行期间不断补充的水库。

然而，保护 BEC 免受冷却激光器产生的光的影响，虽然理论上很简单，但在实践中有点困难。不仅有技术障碍，还有官僚和行政障碍。

既然已经实现了连续原子激光器的第一部分——“连续原子”——下一步，该团队表示，正在努力保持稳定的原子束。他们可以通过将原子转移到未受困状态来实现这一点。

他们说，因为使用了锶原子，这是 BEC 的流行选择，这一前景带来了令人兴奋的机会。例如，使用锶 BEC 的原子干涉测量可用于研究相对论和量子力学，或检测引力波。

“我们的实验是具有全反射腔镜的连续波光学激光的物质波对应物，”研究人员在他们的论文中写道，“这种原理验证演示提供了一种新的、迄今为止缺失的原子光学器件，能够构建连续的相干物质波器件。”

该研究已发表在《自然》杂志上。

https://www.sciencealert.com/physicists-have-built-an-atom-laser-they-say-can-stay-on-forever

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