激光冷却-零下273℃，打开了“超冷世界”的大门

发表于：2019-01-09  作者：qingqingyuan  关注度：117

赖斯大学的物理学家创造了世界上第一个激光冷却的中性等离子体，完成了20年的任务，为模拟器创造了舞台，重建了木星和白矮星内部发现的奇异物质状态。

这项研究结果在本周的“科学”杂志上有详细介绍，其中涉及激光冷却云的快速膨胀等离子体的新技术，创造出温度达到零下273℃的中性等离子体，其比太空深处温度还要低。　

“我们还不知道实际的回报，但每当物理学家激光冷却一种新的东西时，它就开启了一个全世界的可能性，”莱斯物理学和天文学教授汤姆基利安说。“没有人预测激光冷却原子和离子会导致世界上最准确的时钟或量子计算的突破。我们这样做是因为它是一个前沿。”

Killian和研究生Tom Langin和Grant Gorman使用10种不同波长的激光来制造和冷却中性等离子体。他们开始通过蒸发锶金属并使用一组相交的激光束来捕获和冷却大约儿童指尖大小的锶原子。接下来，他们用脉冲激光的10纳秒爆炸电离超冷气体。通过从每个原子剥离一个电子，脉冲将气体转换成离子和电子的等离子体。

来自电离爆炸的能量使新形成的等离子体迅速膨胀并在不到千分之一秒的时间内消散。本周的主要发现是，在产生等离子体后，可以用另一组激光冷却膨胀的离子。Killian，Langin和Gorman在新论文中描述了他们的技术，为他们的实验室和其他人扫清了更冷的等离子体，这种等离子体的行为方式奇怪，无法解释。

等离子体是电子和离子的导电混合物。它是物质的四个基本状态之一;但与日常生活中熟悉的固体，液体和气体不同，等离子体往往发生在非常炎热的地方，如太阳表面或闪电。通过研究超级等离子体，Killian的团队希望回答关于在高密度和低温的极端条件下物质如何表现的基本问题。

为了制造等离子体，该小组从激光冷却开始，这是一种用交叉激光束捕获和减慢粒子的方法。原子或离子的能量越少，它越冷，随机移动的速度就越慢。激光冷却是在20世纪90年代发展起来的，它可以使原子减速直到它们几乎不动，或者只是绝对零度的百万分之几。

“如果一个原子或离子正在移动，并且我有一个与其运动相反的激光束，因为它会从光束中散射出光子，它就会有动力来减慢它的速度，”Killian说道。“诀窍在于确保光始终从与粒子运动相反的激光中散射。如果这样做，粒子会减慢，减慢和减慢。”

1999年，Killian在马里兰州贝塞斯达的国家标准与技术研究所进行博士后研究，开创了用激光冷却气体制造中性等离子体的电离方法。第二年，当他加入赖斯的教职员工时，他开始寻求一种让等离子体更冷的方法。一个动机是实现“强耦合”，这种现象在等离子体中自然发生，仅存在于白矮星和木星中心等异国情调的地方。

“我们不能在自然发生的地方研究强耦合等离子体，”Killian说。“激光冷却中性等离子体允许我们在实验室中制作强耦合等离子体，以便我们可以研究它们的特性”

“在强耦合等离子体中，粒子之间的电相互作用能量比其随机运动的动能更多，”Killian说。“我们主要专注于相互感受的离子，并根据邻居的位置重新排列。这就是强耦合意味着什么。”

因为离子具有正电荷，所以它们通过相同的力相互排斥，如果它被静电充电，使你的头发直立。

“强耦合离子不能彼此靠近，所以他们试图找到平衡，这是一种平衡所有邻居的排斥力的安排，”他说。“这可能导致奇怪的现象，如液体甚至固体等离子体，这远远超出我们的正常经验。”

在正常的弱耦合等离子体中，这些排斥力对离子运动的影响很小，因为它们远远超过动能或热量的影响。

“倾销力量通常就像摇滚音乐会上的低语，”基利安说。“它们被系统中的所有动能噪声淹没了。”

然而，在木星中心或白矮星中，强烈的重力将离子紧密地挤在一起，以至于在较短距离内变得更强壮的排斥力会胜出。即使温度很高，离子也会强烈耦合。

Killian的团队制造的等离子体的密度比行星或死星内的等离子体低几个数量级，但通过降低温度，它们可以提高电动能与动能的比率。在低于绝对零度的十分之一开尔文的温度下，基利安的团队已经看到了排斥力量接管。

“例如，激光冷却在中性原子气体中得到了很好的发展，但等离子体的挑战却非常不同，”他说。

“我们刚刚开始探索超级等离子体中强耦合的影响，”Killian说。“例如，它改变了热量和离子通过等离子体扩散的方式。我们现在可以研究这些过程。我希望这将改进我们的奇异，强耦合天体物理等离子体模型，但我相信我们也会发现我们还没有想到。这就是科学的运作方式。“

该研究得到了空军科学研究办公室和能源部科学办公室的支持。

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