物理学家们制造了一种可以永远持续的原子激光器

　　长三角G60  激光联盟导读
　　激光产生相干光波：激光内部的所有光都完全同步振动。同时，量子力学告诉我们，像原子这样的粒子也应该被认为是波。因此，我们可以制造包含物质相干波的＂原子激光器＂。
　　产生相干物质波的实验的中心部分。新的原子（蓝色）落下并进入中心的玻色-爱因斯坦凝聚态。实际上，原子是肉眼看不见的。来源：Scixel.
　　激光产生相干光波：激光内部的所有光都完全同步振动。同时，量子力学告诉我们，像原子这样的粒子也应该被认为是波。因此，我们可以制造包含物质相干波的＂原子激光器＂。但是，我们能使这些物质波持续下去，这样它们就可以在应用中使用吗？在本周发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个由阿姆斯特丹物理学家组成的小组表明，这个问题的答案是肯定的。
　　让玻色子同步行进
　　原子激光器的基本概念是所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体，简称BEC。自然界中的基本粒子有两种：费米子和玻色子。费米子是像电子和夸克一样的粒子，是构成我们物质的基石。玻色子在性质上非常不同：它们不像费米子那样硬，而是软的：例如，它们可以毫无问题地相互移动。玻色子最著名的例子是光子，它是可能的最小光量。但物质粒子也可以结合形成玻色子。事实上，整个原子的行为就像光粒子一样。玻色子之所以如此特殊，是因为它们可以在同一时间处于完全相同的状态，或者用更专业的术语来说，它们可以＂凝聚＂成相干波。当物质粒子发生这种凝聚时，物理学家称产生的物质为玻色-爱因斯坦凝聚。
　　实验装置和方案。
　　在日常生活中，我们对这些冷凝物一点也不熟悉。原因是：很难让所有原子都表现为一个。破坏同步性的罪魁祸首是温度。当一种物质加热时，组成粒子开始抖动，几乎不可能使它们表现为一个整体。只有在极低的温度下，即绝对零度以上约百万分之一度（摄氏尺度下约273度），才有可能形成BEC的相干物质波。
　　短暂的爆发
　　四分之一个世纪前，第一批玻色-爱因斯坦凝聚体在物理实验室中诞生。这为制造原子激光装置提供了可能性，这种装置可以输出物质束，但这些装置只能在很短的时间内工作。激光可以产生物质波脉冲，但在发出这样的脉冲后，必须在发出下一个脉冲之前创建一个新的BEC。对于原子激光器的第一步来说，这还是不错的。事实上，在物理学家能够制造出连续激光器之前，普通的光学激光器也是以脉冲形式制造的。但是，虽然光学激光器的发展非常迅速，第一台连续激光器在脉冲激光器问世后的六个月内生产出来，但对于原子激光器来说，连续版本在25年多的时间里一直难以捉摸。
　　CW BEC的检测。
　　问题很明显：BEC非常脆弱，当光线照射到它们时，它们会迅速被摧毁。然而，光的存在对形成冷凝物至关重要：要将物质冷却到百万分之一度，需要使用激光冷却其原子。因此，BEC仅限于短暂的爆发，无法连贯地维持它们。
　　阿姆斯特丹大学的一组物理学家现在已经成功地解决了产生连续玻色-爱因斯坦凝聚体的难题。团队负责人Florian Schreck解释了诀窍。＂在以前的实验中，原子的逐渐冷却都是在一个地方完成的。在我们的设置中，我们决定不在时间上而是在空间上展开冷却步骤：我们让原子在连续冷却步骤中移动。最后，超冷原子到达实验的中心，在那里它们可以用来在BEC中形成相干物质波。但是当这些原子被使用的时候，新的原子已经开始补充BEC了。这样我们就可以让这个过程持续下去——基本上是永远。＂
　　连续波BEC的形成和稳定性。
　　虽然基本想法相对简单，但实施起来肯定不简单。《自然》杂志第一作者Chen回顾：＂早在2012年，当时仍在因斯布鲁克的团队就已经实现了一项技术，可以保护BEC不受激光冷却光的影响，首次实现了激光冷却，一直到相干波所需的简并态。虽然这是朝着构建连续原子激光器这一长期挑战迈出的关键第一步，但很明显，一台专用机器需要更进一步。2013年搬到阿姆斯特丹后，我们开始了信仰的飞跃、借来的资金、一间空房间和一个完全由个人资助的团队。六年后的2019年圣诞节清晨，这项实验终于接近成功。我们想到了增加一束额外的激光来解决最后一个技术难题，我们拍摄的每一张图像都立即显示出BEC，这是第一个连续波BEC。＂
　　在解决了产生连续玻色-爱因斯坦凝聚体这一长期存在的公开问题后，研究人员现在将注意力放在了下一个目标上：利用激光产生稳定的物质输出光束。一旦他们的激光器不仅能永远工作，还能产生稳定的光束，就再也没有什么能阻挡技术应用，物质激光器可能会开始在技术中发挥与普通激光器同等重要的作用。
　　来源：Continuous Bose–Einstein condensation, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04731-z
　　长三角G60激光联盟陈长军原创作品！