本科毕业论文光学超低温冷却技术的研究进展物理量子理学Word文档格式.docx
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最后,本文指出了激光制冷技术现有研究的不足,深入探讨了激光制冷技术的在各个领域的美好应用前景,在此基础上阐述了超冷分子和量子计算机的发展。
关键词:
激光冷却;
光学;
多普勒冷却;
玻色-爱因斯坦凝聚
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,lasercoolingtechnologyhasbeendevelopedrapidly.Thisthesisfirstlyintroducesthecharacteristicsoflasercooling,currentresearch,theinitialdevelopmentandfutureprospects,therebydeepeningtheunderstandingoflasercoolingtechnologytoitsbetteroutlook.Secondlythroughdiscussingtheprincipium,formingconditionsandapproachesofcoolingYaduopuleandtheBose-Einsteincondensation,whichfullydemonstratestheapplicationofoflaserrefrigerationtechnologyinDopplercoolingandBose-Einsteincondensationandlaidatheoreticalfoundationforthefuturedevelopment.Finally,
the
paper
points
out
deficiencies
in
existing
studies
and
broad
application
prospects
of
laser
cooling
techniques,
furthermore,it
also
elaborates
development
ultracold
molecular
quantum
computers
on
this
basis.
KeyWords:
lasercoolopticalDopplercoolBose-Einsteinconsidensation
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
1前言1
1.1激光制冷的特点及研究意义1
1.2激光制冷的研究现状2
2光学制冷技术的基本原理及方法3
2.1光学冷却技术的起源3
2.2光学冷却的多普勒模型5
2.3激光冷却与捕获原子的方法6
2.3.1光学粘胶6
2.3.2激尤频率扫描法和塞曼减速法6
2.3.3亚多普勒冷却6
2.3.4亚反冲冷却7
2.3.5实现单原子冷却的意义7
2.4单分子激光制冷7
3光学制冷技术的应用8
3.1激光冷却在玻色-爱因斯坦凝聚中的应用8
3.1.1引言8
3.1.2玻色-爱因斯坦凝聚的研究历程9
3.1.3玻色-爱因斯坦凝聚的应用10
3.2激光冷却在原子钟中的应用10
3.3激光冷却在原子束六极磁透镜技术中的应用11
3.4超冷分子的发展及量子计算机11
致谢16
参考文献17
1前言
1.1激光制冷的特点及研究意义
激光制冷是在生产实践的迫切需要和充分的理论准备的背景下诞生的的,它一问世,就获得了无与伦比的快速发展,激光制冷的发展不仅焕发了光学和光学技术这门古老的科学,而且使之产生了一大批新兴产业。
激光制冷可使人们更有效地使用空前绝后的手段和方法,从而获得了巨大的效益和成功,从而促进科学生产力的发展与进步。
激光束能准确地进行外科手术,就像小小的粒子加速器一样干净利落地工作。
它们能在实验室再生太阳表面的白热状态。
激光能把材料中的热量逐渐排出,直至这些材料像冰冻的冥王星一样冷。
美国的科学家已经研制出激光冷却器的样机,他们希望能把这些冷却器放到卫星上使用。
“激光”诞生已60年了,激光用于物理学研究的一个重要方面“激光冷却气体原子”也已诞生30多年了!
1997年度的诺贝尔物理学奖授予了美国斯坦福大学的朱棣文、美国国家标准与技术研究所的菲利普斯和法国巴黎高等师范学校的科昂·
唐努吉,表彰他们在捕陷原子和光学冷却研究中所做出的杰出贡献。
随后,2001年度的诺贝尔物理学奖授予美国科学家康奈尔、维曼和德国凯特勒,表彰他们在玻色-爱因斯坦凝聚工作中做出的空前绝后的贡献和巨大的成就。
两届诺贝尔物理奖授予给同一领域的两项成果,说明该领域是一个非常重大的研究领域。
近20年来,“激光冷却气体原子”诱发了物理学多方面研究的迅速发展,如冷原子钟、原子干涉仪、冷原子(分子)物理、量子模拟、物理常数精密测量和基本定律验证等。
一浪接一浪的研究热潮充分证明了“激光冷却气体原子”在科学技术发展中的重要价值和地位。
它不仅开拓了物理学研究的新途径和新领域,而且为应用科学技术的发展奠定了坚实的基础,也将对21世纪科学与技术的进步带来深远的影响。
“激光冷却气体原子”和“冷原子(分子)”相关的研究领域在我国也不断地发展壮大,很多单位已在冷原子(分子)物理、量子模拟、冷原子钟、原子干涉仪和量子信息存储等研究方面取得了令人瞩目的成果。
特别是新一代华人科学家的参与,加速了我国冷原子物理的发展。
可以预期,在不久的将来我国科学家将为世界科学技术的发展做出重大贡献。
激光冷却时利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。
他的理论发展起源于人们发现,当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时,由于多普勒效应,原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子,而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;
吸收后的光子将各向同性地自发辐射。
平均地看来,两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力,从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。
1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯(willamD.Phillips)和斯坦福大学朱棣文首先实现了激光冷却原子的实验,并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。
他们进一步用三维激光束形成磁光阱将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却,获得了更低温度的"
光学粘胶"
。
之后,许多激光冷却的新方法不断涌现,其中较著名的有"
速度选择相干布居囚禁"
和"
拉曼冷却"
,前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨-达诺基(ClaudCohen-Tannodji)提出,后者提出,他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。
此后,人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术,其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等。
这一技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数,用于高分辨激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟),后来成为实现原子波色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。
虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用,只是在激光器发明之后,才发展了利用光压改变原子速度的技术。
激光冷却有许多应用,如:
原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。
1975年,汉斯和肖洛,瓦恩兰和德默尔特分别提出了激光冷却气体原子的建议,其物理思想是:
在光场与原子相互作用的过程中,由于动量的线性交换,形成了光的辐射压力,从而阻尼原子的热运动,降低原子气体的温度.这两篇文章提出了新的物理概念“激光冷却气体原子”,对我们产生了巨大的吸引力。
因为,原子钟的稳定度和准确度受限于原子的热运动速度。
如果能降低原子的热运动速度,那么原子钟的频率稳定度和准确度将会大幅度提高。
“激光冷却气体原子”是提高原子钟性能的根本途径。
从事原子钟研究的科研人员都会意识到“激光冷却气体原子”的重要学术价值,它提供了发展科学技术的绝好机遇,从而决定了我们这一代人的科研道路。
在国际上激光冷却气体原子发展初期的10多年时间里,我们的研究工作处于国际先进水平的行列,但后续的工作跟不上国际发展的形势,尽管我们做出了玻色-爱因斯坦凝聚、芯片、高频原子势阱和冷原子钟等工作,但已落后于国际先进水平。
落后的原因很复杂,有主观和客观的原因.主观上除去个人的条件外,最重要的是,遇到巨大的客观困难时,没有勇气去奋斗和抗争。
当年的客观科研环境十分不利于新学科的发展,在很长时间里未能引起科技界的重视,直到国际报道激光冷却气体达到凝聚体的温度(是指冷原子气体的温度达到发生凝聚体相变的温度)时才引起人们的关注。
但由于参与的研究人员很少,经费投入十分有限,设备落后而又无力更新改造,以致于研究工作十分艰难。
一项有重要发展前景的研究领域,在发展的初期可能不需要大量资金投入,主要靠人的智慧和努力。
但是,当在世界上该领域迅速发展起来的时候,就需要众多优秀科学家的参与,需要先进的技术支撑和大量资金的投入,才能使这门学科研究蓬勃发展壮大。
从科研实践中我们深深感受到,重要的科学研究没有足够经费的支持,什么事也做不成。
因此,科研工作的组织者起着关键性的作用,他们要有广阔的科学知识,前瞻的科学目光,公正的心态和满腔的热情来支持、扶植新生的萌芽。
回首往事,我们尽力完成了我们这一代人可能做的事,但未完成我们应该能做好的事。
面对着国内外严峻的科研形式和结合国内的实验条件,我们应该担当起这个责任。
当今,我国要建设成创新型国家,各项事业正走向高速发展,国家对科技事业提出了更高的新要求,需要更多的科技工作者为中国的科技事业献身。
我们肩负着国家和人民的期望,任重而道远。
为了争得中国在世界上的大国地位,我们必须奋力拼搏,锐意创新,坚定地克服任何困难,勇攀21世纪高科技的顶峰。
祖国把希望寄托在新一代人的身上,衷心希望我们早日做出优异成绩,为中国人民争光。
1.2激光制冷的研究现状
近几十年来,一种叫作多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料,利用光子使原子减速。
能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。
但是只是在极小的尺寸上才能作到这一点。
利用光使大的物体冷却的想法是德国物理学家晋林希姆在1卿年首先提出吓他的想法是当物质发射荧光时,它会变冷。
当分子吸收光时,它的电子就受激。
这个新的状态是不稳定的,分子必须失去多余的能量。
要作到这一点,可通过使分子发生永久性化学变化(如拆开一个键),或者是将分子升温,使它和周围环境变热。
多余的能量会以光的形式离开分子。
通过使荧光离开全部能量,比斌收的能量更粼冷却便可实现。
其方法便是对激光束中光子的能量进行挑选,以便它只被材料中那些已经具有某种能量的分子所吸收,以首先实现对这些分子的“加热”。
利用统计方法可以看到,物质中有一小部分分子总是比其他分子温度高。
当它们吸收光子时,它们就受激进入更高一级的能态。
在有些材料中这时荧光会把分子带到比它们原来的能级更低,即更“冷”的振动态。
离开分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能,这种情况被称为反斯托克斯荧光。
在理论上普林希姆的想法很好,但是实践起来却困难重重,主要的难点在于要缸。
一种合适的荧光
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