雷射冷卻

雷射冷卻 (Laser cooling)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

朱棣文(Steven Chu)，美國華裔物理學家，1997年獲諾貝爾物理學獎，現任美國能源部部長。

在雷射冷卻(laser cooling)技術尚未發展出之前，僅能使用液態氦、液態氮等等的降溫技術，降低物質的溫度，這些技術不但耗時，效率也不高，然而在1986年，前中央研究院(簡稱中研院)的院士朱棣文等人研發了雷射冷卻技術，其可在室溫之下，將少量原子(約106~ 108個)的溫度，快速的降到10-6K，早期的技術只能降到10-3K左右，相較之下，雷射冷卻比起其他技術擁有更高的效率，並且使原子達到前所未有的低溫，因此替低溫原子的領域開起了一道大門，1997年，朱棣文和其研究夥伴共同獲得了諾貝爾物理獎。

降溫技術，都是降低粒子移動的速度，粒子所具有的動能越低，溫度自然就會越低，雷射冷卻不外乎如此，不過特別的是，雷射冷卻應用了都卜勒效應(Doppler effect)， 或稱都卜勒冷卻(Doppler cooling)，但基於此技術在室溫下進行，因此被降溫的粒子只能局限在某一塊區域，想像某原子在一維系統中運動，需要兩道雷射，並且調整雷射的頻率， 讓其低於原子躍遷的頻率，假設原子往右邊運動，將第一道雷射打向左邊(意即雷射指向的方向和原子運動方向相反)，將第二道雷射打向右邊(和原子的運動方向 相同)，當第一道雷射打到運動的原子時，因為兩個粒子(原子和光子)互相靠近，根據都卜勒效應，原子感受到雷射的頻率會增加，所以會越接近原子的躍遷頻 率，使原子能吸收其碰撞的能量， 往高能階躍遷，然而在高能階的原子，會產生自發輻射而回到低能階，不過自發輻射出的光，是往四面八方放射的，因此動量的平均值為零，但原子受到光子正面的 撞擊，動量降低，因此速度自然會減緩，使得原子溫度下降，而第二道雷射，因其方向和原子的運動方向相同，因此都卜勒效應並不明顯，並不會使原子發生躍遷， 只是確保原子向左運動時，仍會發生都卜勒冷卻，所以在三維空間下，粒子運動有六個方向，才需要六道雷射。

當一團原子在接近絕對零度的情況下，因為移動速度十分緩慢，所以動量很低，根據德布羅依的物質波概念，動量越小，原子的波長就越長，因此波動性會越顯 著，接著就會產生所謂的凝聚態，也就是所謂的波色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation，簡稱BEC)，此時絕大部份的原子都處於最低的能量態，此理論約在70年前由波色和愛因斯坦提出，但受限於當時的冷卻技術，無 法提供實驗的證明，終於到了1995年，美國物理學家才利用雷射冷卻和蒸發冷卻證明了BEC的理論。

參考資料
http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cooling
http://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_cooling
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%B1%E6%A3%A3%E6%96%87