《激光制造網》小編了解到，6月8日，來自荷蘭阿姆斯特丹大學的科學家團隊在《Nature》上刊發了一篇題為《Continuous Bose–Einstein condensation（連續玻色-愛因斯坦凝聚）》的研究論文。論文稱，他們的實驗是具有全反射腔鏡的 CW 光學激光器的物質波模擬。這種原理驗證演示提供了一種新的、迄今為止缺失的原子光學器件，從而能夠構建連續的相干物質波器件。
“激光如此特別的原因在于它使用相干光波——激光內的所有光都完美地同步振動。而量子力學又表明，像原子這樣的粒子也應該被認為是波。因此，我們可以構建包含相干物質波的原子激光器。”科學家科普道，可問題是，能否使這些物質波持續存在，以用于應用呢？他們的研究肯定地回答了這一問題。
玻色-愛因斯坦凝聚形成的原理
自然界中的基本粒子類型有兩種：費米子和玻色子。費米子是像電子和夸克一樣的粒子，是構成物質的基石。玻色子的性質則不同，它不像費米子那樣堅硬，而是柔軟的，它們可以毫無阻隔地相互穿過。玻色子最典型的例子就是光子。
但物質粒子也可以結合形成玻色子——事實上，整個原子的行為就像光粒子一樣。玻色子可以同時處于完全相同的狀態，也即是說，它們可以“凝聚”成一個連貫的波。當物質粒子發生這種類型的凝聚時，科學家們將產生的物質稱為玻色-愛因斯坦凝聚。
而原子激光背后的概念便是所謂的玻色-愛因斯坦凝聚體，簡稱BEC。
產生相干物質波的實驗的中心部分。新的原子（藍色）進入中心的玻色-愛因斯坦凝聚體
實現這點并不容易，原因是很難讓原子都表現得像一個整體。溫度是破壞同步性的罪魁禍首——當物質升溫時，組成粒子便四處亂竄，幾乎不可能讓它們表現得像一個整體。只有在極低的溫度下（零下 273 度），才有機會形成 BEC 的相干物質波。
原子激光器的誕生為什么這么難？
大約25年前，第一個玻色-愛因斯坦凝聚體是在物理實驗室中制造出來的，這開啟了制造原子激光器的可能性。原子激光器是可以真正輸出物質光束的設備，但只能在很短的時間內發揮作用。激光可以產生物質波脈沖，但在發出這樣的脈沖之后，必須先創建一個新的BEC，然后才能發出下一個脈沖。
事實上，在科學家們制造出連續激光器之前，普通的光學激光器也被制成脈沖變體，在六個月之后，第一臺連續激光器也被生產出來了。盡管光學的發展如此迅猛，但原子激光器的誕生，還是耗費了超過25年……
問題出在哪里？
問題就出在BEC非常脆弱！當光線照射它們時，它們當即被摧毀。然而，光的存在對于形成冷凝效應至關重要：要將物質冷卻到百萬分之一度，需要使用激光冷卻其原子。因此，BEC只能短暫的爆發，無法連貫地維持。
如何創建連續玻色-愛因斯坦凝聚？
而現在，荷蘭阿姆斯特丹大學的科學家團隊已成功解決了創造連續玻色-愛因斯坦凝聚體的難題。
團隊負責人 Florian Schreck 解釋個中訣竅：“在之前的實驗中，原子的逐漸冷卻都是在一個地方完成的，而在我們的實驗中，我們決定不隨著時間的推移，而是在空間中分散冷卻步驟——我們讓原子在通過連續的冷卻步驟時移動。最后，超冷原子到達了實驗的核心，在那里它們可以用來在 BEC 中形成相干物質波。在使用這些原子的同時，新的原子已經在補充 BEC的路上。通過這種方式，我們可以讓這個過程持續下去——甚至是永遠持續下去。”
在解決了創建連續玻色-愛因斯坦凝聚這一關鍵問題后，研究人員下一個目標是：使用激光來產生穩定的輸出物質束。一旦他們的激光器可以永久運行，且能產生穩定的光束，就再也沒有什么能阻擋技術應用的道路了，原子激光器可能會開始在技術中發揮與普通激光器同等重要的作用。
參考文獻：Chun-Chia Chen、Rodrigo González Escudero、Jirí Minár、Benjamin Pasquiou、Shayne Bennetts 和 Florian Schreck 撰寫的“連續玻色-愛因斯坦凝聚”，2022 年 6 月 8 日，《Nature》。
論文網址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04731-z
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