首个连续原子激光器研究取得重大进展

YXsensing

自从激光器被发明以来，它已经成为物理学中非常宝贵的工具。预计原子激光器（用原子的量子波代替光波）可能具有类似的重要应用，例如在构建超精确的时钟中。由阿姆斯特丹大学（UVA）研究员Florian Schreck领导的一个研究小组，现在已经在创造第一个连续原子激光器方面取得了重要进展。该研究小组的结果在本周早些时候发表在“Physical Review Letters”上（“Steady-State Magneto-Optical Trap with 100-Fold Improved Phase-Space Density”）。

该实验用于创建永久存在的冷气云。（图片来源：F.Schreck等）

在普通激光器中，光波形成所谓的相干态：当这些波从激光器出来时，它们都以完全相同的方式振荡，具有相同的频率和相同的相位。量子力学告诉我们，我们所构成的粒子、夸克、电子乃至整个原子也具有类似波动的特性。但是原子也可以处于一个相干的状态吗？或者是否可以建造一个激光器，用原子而不是光子发光？

这个问题的理论答案是“是的”，任何物理学的学生都可以很容易地证明这一点。事实上，拥有这样的装置将是非常有用的：原子的集体振动可以用来测量超精确的原子钟。然而，将理论转化为实际的功能设备并不像听起来那么简单。

到目前为止，通过从所谓的玻色 - 爱因斯坦凝聚体中提取原子束来制作原子激光器，在所有原子处于相同的量子波状态的非常低的温度下的气体云。但是，将原子置于相同的状态只能解决部分问题。对于大多数原子激光器的应用场景来说，需要原子激光器连续工作。

因此，真正的挑战是使原子快速进入相同的波状态，以便原子激光器能够连续供应这些相干粒子。

创建玻色 - 爱因斯坦凝聚体通常涉及几十秒内几个阶段的气体冷却。然而，提取的原子激光束只能在原子保留在所述凝聚体中时才工作，通常只有几分之一秒那么短的时间。在那之后，必须要有新的供应，这又需要几十秒 - 等等。

Schreck和他的团队，团队成员包括博士后Benjamin Pasquiou，博士生Shayne Bennetts和Chun-Chia Chen，现在计划通过在空间中分开不同的冷却阶段而不是时间来实现连续供应。每个阶段发生在不同的位置：原子在通往最终原子激光束产生的处的过程中被普通激光器冷却。该团队通过巧妙利用锶的特性来做到这一点，锶是一种具有恰当电子结构的元件，在“移动中”时，可以逐步冷却下来。

Schreck和他的合作者们运用他们的方法，现在已经成功地实现了持续冷却的第一阶段，该阶段实现了气体云的永久存在，该气体云比以前的任何尝试都要冷得多，密度更高。他们进一步表明，他们的计划提供了足够多的冷原子，与创造连续存在的玻色爱因斯坦凝聚体相容。最后一步当然是使用这种永久性冷凝物制造原子激光器 - 根据Schreck的说法，这一步应该在明年进行。这将实现他的梦想：创造一个原子激光器，永不需要停下来充能。