一項嶄新的突破,讓物理學家們能創造出表現起來如同雷射光的原子束,理論上可以「永久」存在。這表示說,儘管重大的限制仍然存在,這項科技或許終於在實際應用之路上。

原子雷射概念

然而,這是巨大的一步,往所謂的「原子雷射」(atom laser)邁進。原子雷射是由以單波形式前進的原子所形成的光束,有一天可能可以被用來測試基本物理常數、以及工程精密技術。

原子雷射已經存在好一段時間了。第一道原子雷射是在 1996 年,由麻省理工學院(MIT)的物理學家團隊所創造的。此概念聽起來相當簡單:就像傳統以光為基礎的雷射,是包含以同步波的形式進行移動的光子般,一道由原子所組成的雷射會需要它們波的特性先對齊後,才能作為光束而射出。

然而,就像很多科學中的東西一樣,建立起概念比起付諸實現來得容易。原子雷射的根本是一種稱作玻色–愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate,BEC)的物質狀態。

BEC 是將一團玻色子(boson)雲冷卻到絕對零度一點點之上時所形成的。在如此低溫之下,原子們降回它們可能的最低能量狀態,但並未完全停止運動。

當它們達到如此低的能量時,這些粒子的量子性質再也無法彼此干涉;它們移動得夠靠近彼此而有點像重疊,產生了高密度的原子雲,表現起來就像一顆「超級原子」或是物質波。

然而,BEC 是某種有點自相矛盾的東西。它們非常脆弱,即使是光也可以破壞 BEC。既然 BEC 中的原子們是使用光學雷射所冷卻的,這通常代表 BEC 的存在是稍縱即逝的。

限制與改善

科學家們目前嘗試達成的原子雷射是脈衝型式而不是連續型式,而且這涉及,在得產生一個新的 BEC 之前,只發射一個脈衝。為了製造出連續 BEC,荷蘭阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的研究團隊理解到說,必須改變某項事物。

物理學家弗洛里安·施雷克教授(Florian Schreck)解釋:「在先前的實驗中,原子的逐漸冷卻全都是在同一處完成。在我們的設置中,我們決定不是隨時間,而是在空間中分散冷卻步驟。當逐步進行連續的冷卻步驟時,我們讓原子們移動。最終,極冷的原子們抵達了『實驗的核心』,在那裡它們能夠被用來形成 BEC 中同調的物質波。但當這些原子們正被使用時,新的原子早就已經在路上來補充 BEC。如此一來,我們就可以保持這個過程持續進行,基本上是永遠。」

那個所謂「實驗的核心」是一個讓 BEC 避免被光照射的阱,是一個只要實驗持續進行,就能夠被持續補充的儲存槽。

然而,保護 BEC 避免被冷卻雷射光所產生的光照到這件事,雖然理論上很簡單,但是在實際操作上又有一點更困難。不僅存在有技術上的阻礙,也有官僚與行政上的阻礙。

成果與未來應用

領導這項研究的物理學家陳俊嘉博士(Chun-Chia Chen)說:「當在 2013 年移到阿姆斯特丹時,我們是從放手一搏、借來的資金、一間空房、以及完全由個人資助所成的團隊而開始的。六年後,在 2019 年聖誕節早晨最初的幾個小時,這項實驗終於即將運作了。我們有多加一道額外雷射光的想法,來解決最後一個技術上的難題,而很快地,我們所照的每個影像都顯示出了 BEC,第一道連續波 BEC。」

研究團隊說,既然目前連續原子雷射的第一部分,也就是所謂的「連續原子」部分已經實現了,那麼下一步就是要致力於維持穩定的原子光線。他們可能可以藉由將原子們轉移到未捕獲態來實現這一點,藉此提取傳播中的物質波。

研究團隊說,因為他們使用 BECs 的熱門選擇鍶原子,這個前景開啟了令人興奮的可能性。比方說,使用鍶 BECs 的原子干涉儀可能可以被用來進行相對論與量子力學的調查、或是偵測重力波。

研究人員在論文中寫到:「我們的實驗是針對具有全反射腔鏡的連續波型式光學雷射,所打造的物質波類比。這項概念驗證的展示,提供了原子光學新的、迄今為止失蹤的一塊訊息,讓我們能夠打造出連續且同調的物質波設備。」

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參考資料:

  1. Starr. M., (2022, June 17). Physicists Say They’ve Built an Atom Laser That Can Run ‘Forever’. ScienceAlert
  2. Chen, C.-C. et al., (2022, June 8). Continuous Bose–Einstein condensation. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04731-z
  3. 圖片來源:https://www.uva.nl/en/shared-content/subsites/institute-of-physics/en/news/2022/06/eternal-matter-waves.html(圖:University of Amsterdam/Scixel)
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