《激光制造網(wǎng)》小編了解到，6月8日，來自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《Nature》上刊發(fā)了一篇題為《Continuous Bose–Einstein condensation（連續(xù)玻色-愛因斯坦凝聚）》的研究論文。論文稱，他們的實(shí)驗(yàn)是具有全反射腔鏡的 CW 光學(xué)激光器的物質(zhì)波模擬。這種原理驗(yàn)證演示提供了一種新的、迄今為止缺失的原子光學(xué)器件，從而能夠構(gòu)建連續(xù)的相干物質(zhì)波器件。

“激光如此特別的原因在于它使用相干光波——激光內(nèi)的所有光都完美地同步振動。而量子力學(xué)又表明，像原子這樣的粒子也應(yīng)該被認(rèn)為是波。因此，我們可以構(gòu)建包含相干物質(zhì)波的原子激光器?！笨茖W(xué)家科普道，可問題是，能否使這些物質(zhì)波持續(xù)存在，以用于應(yīng)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(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子是像電子和夸克一樣的粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基石。玻色子的性質(zhì)則不同，它不像費(fèi)米子那樣堅(jiān)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(zhì)粒子也可以結(jié)合形成玻色子——事實(shí)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(tài)，也即是說，它們可以“凝聚”成一個連貫的波。當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)生這種類型的凝聚時，科學(xué)家們將產(chǎn)生的物質(zhì)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(chǎn)生相干物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)的中心部分。新的原子（藍(lán)色）進(jìn)入中心的玻色-愛因斯坦凝聚體

實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)并不容易，原因是很難讓原子都表現(xiàn)得像一個整體。溫度是破壞同步性的罪魁禍?zhǔn)住?dāng)物質(zhì)升溫時，組成粒子便四處亂竄，幾乎不可能讓它們表現(xiàn)得像一個整體。只有在極低的溫度下（零下 273 度），才有機(jī)會形成 BEC 的相干物質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(zhì)光束的設(shè)備，但只能在很短的時間內(nèi)發(fā)揮作用。激光可以產(chǎn)生物質(zhì)波脈沖，但在發(fā)出這樣的脈沖之后，必須先創(chuàng)建一個新的BEC，然后才能發(fā)出下一個脈沖。

事實(shí)上，在科學(xué)家們制造出連續(xù)激光器之前，普通的光學(xué)激光器也被制成脈沖變體，在六個月之后，第一臺連續(xù)激光器也被生產(chǎn)出來了。盡管光學(xué)的發(fā)展如此迅猛，但原子激光器的誕生，還是耗費(fèi)了超過25年……

問題出在哪里？

問題就出在BEC非常脆弱！當(dāng)光線照射它們時，它們當(dāng)即被摧毀。然而，光的存在對于形成冷凝效應(yīng)至關(guān)重要：要將物質(zhì)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(fā)，無法連貫地維持。

如何創(chuàng)建連續(xù)玻色-愛因斯坦凝聚？

而現(xiàn)在，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已成功解決了創(chuàng)造連續(xù)玻色-愛因斯坦凝聚體的難題。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Florian Schreck 解釋個中訣竅：“在之前的實(shí)驗(yàn)中，原子的逐漸冷卻都是在一個地方完成的，而在我們的實(shí)驗(yàn)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(xù)的冷卻步驟時移動。最后，超冷原子到達(dá)了實(shí)驗(yàn)的核心，在那里它們可以用來在 BEC 中形成相干物質(zhì)波。在使用這些原子的同時，新的原子已經(jīng)在補(bǔ)充 BEC的路上。通過這種方式，我們可以讓這個過程持續(xù)下去——甚至是永遠(yuǎn)持續(xù)下去。”

在解決了創(chuàng)建連續(xù)玻色-愛因斯坦凝聚這一關(guān)鍵問題后，研究人員下一個目標(biāo)是：使用激光來產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出物質(zhì)束。一旦他們的激光器可以永久運(yùn)行，且能產(chǎn)生穩(wěn)定的光束，就再也沒有什么能阻擋技術(shù)應(yīng)用的道路了，原子激光器可能會開始在技術(shù)中發(fā)揮與普通激光器同等重要的作用。

參考文獻(xiàn)：Chun-Chia Chen、Rodrigo González Escudero、Jirí Minár、Benjamin Pasquiou、Shayne Bennetts 和 Florian Schreck 撰寫的“連續(xù)玻色-愛因斯坦凝聚”，2022 年 6 月 8 日，《Nature》。

論文網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04731-z