物理学家们说，他们打造出了可以“永久”运作下去的原子雷射

一项崭新的突破，让物理学家们能创造出表现起来如同雷射光的原子束，理论上可以“永久”存在。这表示说，儘管重大的限制仍然存在，这项科技或许终于在实际应用之路上。

原子雷射概念

然而，这是巨大的一步，往所谓的“原子雷射”（atom laser）迈进。原子雷射是由以单波形式前进的原子所形成的光束，有一天可能可以被用来测试基本物理常数、以及工程精密技术。

原子雷射已经存在好一段时间了。第一道原子雷射是在 1996 年，由麻省理工学院（MIT）的物理学家团队所创造的。此概念听起来相当简单：就像传统以光为基础的雷射，是包含以同步波的形式进行移动的光子般，一道由原子所组成的雷射会需要它们波的特性先对齐后，才能作为光束而射出。

然而，就像很多科学中的东西一样，建立起概念比起付诸实现来得容易。原子雷射的根本是一种称作玻色–爱因斯坦凝态（Bose-Einstein condensate，BEC）的物质状态。

BEC 是将一团玻色子（boson）云冷却到绝对零度一点点之上时所形成的。在如此低温之下，原子们降回它们可能的最低能量状态，但并未完全停止运动。

当它们达到如此低的能量时，这些粒子的量子性质再也无法彼此干涉；它们移动得够靠近彼此而有点像重叠，产生了高密度的原子云，表现起来就像一颗“超级原子”或是物质波。

然而，BEC 是某种有点自相矛盾的东西。它们非常脆弱，即使是光也可以破坏 BEC。既然 BEC 中的原子们是使用光学雷射所冷却的，这通常代表 BEC 的存在是稍纵即逝的。

限制与改善

科学家们目前尝试达成的原子雷射是脉衝型式而不是连续型式，而且这涉及，在得产生一个新的 BEC 之前，只发射一个脉衝。为了制造出连续 BEC，荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的研究团队理解到说，必须改变某项事物。

物理学家弗洛里安·施雷克教授（Florian Schreck）解释：“在先前的实验中，原子的逐渐冷却全都是在同一处完成。在我们的设置中，我们决定不是随时间，而是在空间中分散冷却步骤。当逐步进行连续的冷却步骤时，我们让原子们移动。最终，极冷的原子们抵达了‘实验的核心’，在那裡它们能够被用来形成 BEC 中同调的物质波。但当这些原子们正被使用时，新的原子早就已经在路上来补充 BEC。如此一来，我们就可以保持这个过程持续进行，基本上是永远。”

那个所谓“实验的核心”是一个让 BEC 避免被光照射的阱，是一个只要实验持续进行，就能够被持续补充的储存槽。

然而，保护 BEC 避免被冷却雷射光所产生的光照到这件事，虽然理论上很简单，但是在实际操作上又有一点更困难。不仅存在有技术上的阻碍，也有官僚与行政上的阻碍。

成果与未来应用

领导这项研究的物理学家陈俊嘉博士（Chun-Chia Chen）说：“当在 2013 年移到阿姆斯特丹时，我们是从放手一搏、借来的资金、一间空房、以及完全由个人资助所成的团队而开始的。六年后，在 2019 年圣诞节早晨最初的几个小时，这项实验终于即将运作了。我们有多加一道额外雷射光的想法，来解决最后一个技术上的难题，而很快地，我们所照的每个影像都显示出了 BEC，第一道连续波 BEC。”

研究团队说，既然目前连续原子雷射的第一部分，也就是所谓的“连续原子”部分已经实现了，那麽下一步就是要致力于维持稳定的原子光线。他们可能可以藉由将原子们转移到未捕获态来实现这一点，藉此提取传播中的物质波。

研究团队说，因为他们使用 BECs 的热门选择锶原子，这个前景开启了令人兴奋的可能性。比方说，使用锶 BECs 的原子干涉仪可能可以被用来进行相对论与量子力学的调查、或是侦测重力波。

研究人员在论文中写到：“我们的实验是针对具有全反射腔镜的连续波型式光学雷射，所打造的物质波类比。这项概念验证的展示，提供了原子光学新的、迄今为止失踪的一块讯息，让我们能够打造出连续且同调的物质波设备。”

参考资料：

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

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