激光冷卻與冷原子鍾

  冷原子鍾,顧名思義,冷原子做成的鍾(這看起來像一句廢話)。好,那要解釋這個東西就可以分為二個方麵:什麽是冷原子?然後如何能成為鍾表?

激光冷卻

冷原子就是冷卻的原子,那如何來冷卻原子,用激光(激光的確是個好東西)。在光學基礎知識大講堂第1期:什麽是光鑷中就提到過,激光與物質相互作用的時候會發生力學效應,鼎博六合通常稱之為光壓。用中學的力學知識分析的話,就是光子具有一定的動量,方向為光的傳播方向,如果和原子發生碰撞,那麽會把能量傳遞給原子。舉個栗子,一個粒子朝你飛來,那如何讓他停下來,自然是對著粒子的傳播方向施加一個力,讓它減速。好,問題又來了?那鼎博六合如何知道這個粒子往哪個方向運動,答案是不知道,因為分子做的是無規則的布朗運動(中學物理知識)。但這不是關鍵,鼎博六合隻要能夠讓它減速就行,不需要知道它具體的運動軌跡,換句話說,它要怎麽跑,我就不讓它怎麽跑。這裏插一句,物質的溫度來自於本身的熱運動,如果原子運動得少了,自然溫度就變低了,所以稱之為激光冷卻。

     關鍵時刻終於到了,鼎博六合如何讓光阻止原子的運動。鼎博六合都知道,原子有能級的概念,滿足一定能量的光子才能被原子吸收,少一點都不行(參考愛因斯坦的光電效應)。這是其一,其二是光的多普勒效應。何謂多普勒效應,舉得例子,小明和小紅相向運動(對著走),速度都是1m/s,假設小明是粒子,小紅是光子,從鼎博六合的角度看,光子的速度是1m/s,但是對於粒子來說,光子的速度是2m/s。額,自然這個比喻不怎麽恰當,光子的速度永遠都是3×10^8 m/s,所以改變的其實是光的波長(即頻率),自然改變了頻率就是改變了光子的能量。現在,鼎博六合把這二者結合起來,讓激光發出比原子能級躍遷的能量少一點點(現在的技術確實能做到這一點),那麽如果粒子不動,自然不會吸收光子,如果它朝任何一個方向運動,自然讓相向而行的激光達到能級躍遷的能量,然後吸收光子(即與這些光子發生碰撞),而同向運動的光子頻率降低,光子能量不足以被吸收,從而減慢粒子的運動。







圖1 激光冷卻原理圖(圖片來源於網絡)



冷原子鍾

利用這個方式,鼎博六合可以把原子冷卻到絕對溫度百萬分之一度以下,但是絕對達不到絕對零度,就像鼎博六合永遠也達不到光速一樣。額,這不是關鍵,關鍵是冷原子跟鼎博六合的鍾有什麽關係?好,那首先還是介紹下原子鍾吧。

     根據原子物理學的知識,鼎博六合得知不同的原子核周圍的電子層是具有不同的能級差,鼎博六合也把它叫做特征振動頻率或者特征譜線。例如,鼎博六合目前采用“秒”時間的定義:銫原子的一個能級躍遷到另一個能級所釋放電磁波的9192631770個周期所需要的時間。各位看官看到這裏估計還是很懵,鼎博六合定義“秒”的時長幹嘛?好吧,這問題我就不回答了。其次,鼎博六合為啥要把它定義成為銫原子振蕩9192631770次的時間長度?恩,這個我可以回答,這是官方規定(其實是這樣子定義很精準)。

     拋開上麵的問題,鼎博六合繼續。那鼎博六合如何做到?大家都聽說過共振這個概念,當二個物體的振動頻率越近時,共振強度越高。所以,鼎博六合讓銫原子經過微波場,然後通過調控微波頻率達到共振目的,再通過熒光探測器探測強度。自然,熒光光強最高的點,就是共振頻率的點,那麽調節到這個點的微波頻率就是鼎博六合想要的頻率(即時間的定義)。



圖2 原子鍾探測原理(圖片來源於網絡)



問題又來了,技術上解決了,但是這個過程非常具有技術含量。銫原子在常溫下平均速度達到幾百米每秒,通過微波腔的時間非常短,極大地限製了鎖頻的穩定度。所以,激光冷卻技術登場了,你不是嫌速度太快嗎?激光冷卻可以極大地降低銫原子的運動速度。原子鍾的精度原先誤差為1秒/300萬年,冷原子鍾的精度可以提高到1秒/3億年,提高2個數量級。

     最後一個問題,那為啥冷原子鍾還要去“天宮二號”實驗室?鼎博六合都知道,地球是有引力的,如果在外太空的話,引力會大大地降低,自然可以更大程度上降低銫原子運動速度(鼎博六合采用的是垂直方向,所以也有噴泉原子鍾的說法),增加鎖頻時間,從而更精確地對準共振頻率。預計空間冷原子鍾的精度可以再提高一個數量級左右。



圖3 銫光子鍾(圖片來源於網絡

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