早在1985年,美国华裔物理学家朱棣文就成功地用滋光冷冻了原子,从而荣获1997年的诺贝尔物理学奖。 'w>_+jLT
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激光为什么能制冷呢?原来,物体的 原子总是在不停地做无规则运动,这实际上就是表示物体温度高低的热运动,即原子运动越激烈,物体温度越高;反之,温度就越低。所以,只要降低原子运动速 度,就能降低物体温度。徽光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动,使其减速,从而降低了物体温度。 ?]fF3 SJk
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自1995年epstein实现了光与热的制冷效应的历史性突破以来 ,由于该制冷方法具有全光性的独特优点 ,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、质量轻、可靠性高等特点 ,因此反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景。 q"O.Cbk
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物体原子运动的速度通常 在约每秒500米左右。长期以来,科学家一直在寻找使原子相对静止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光,从各个方面对原子进行照射,使原子陷于光子海洋 中,运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。在试验中,被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。 2"|2a@
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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。近几十年来,一种叫做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。 UNijFGi
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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1929年首先提出的。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。 d(vsE%/!
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通过使荧光离开全部能量,比吸收的能量更多,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”。 l Z#o+d2Y
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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。 (8v7|Pe8
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在理论上普林希姆的想法很好,但是实践起来却困难重重。主要的难点在于要找到一种合适的荧光材料并把它固定在一个能让所有的入射光都被吸收和让所有的荧光都被放出的“清澈”的固体上。 ju}fL<