早在1985年，美國(guó)華裔物理學(xué)家朱棣文就成功地用滋光冷凍了原子，從而榮獲1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
}| Cw]GW Z<xSU?J 激光為什么能制冷呢？原來(lái)，物體的 原子總是在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這實(shí)際上就是表示物體溫度高低的熱運(yùn)動(dòng)，即原子運(yùn)動(dòng)越激烈，物體溫度越高；反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運(yùn)動(dòng)速 度，就能降低物體溫度。徽光制冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運(yùn)動(dòng)，使其減速，從而降低了物體溫度。
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自1995年epstein實(shí)現(xiàn)了光與熱的制冷效應(yīng)的歷史性突破以來(lái) ,由于該制冷方法具有全光性的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) ,同時(shí)制備的制冷器具有無(wú)振動(dòng)和噪聲、無(wú)電磁輻射、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn) ,因此反斯托克斯熒光制冷器在軍事、航天衛(wèi)星、微電子、低溫物理與工程等領(lǐng)域具有非常誘人的應(yīng)用前景。
h&[!CtPm ! /Hln;{ 物體原子運(yùn)動(dòng)的速度通常 在約每秒500米左右。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直在尋找使原子相對(duì)靜止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，從各個(gè)方面對(duì)原子進(jìn)行照射，使原子陷于光子海洋 中，運(yùn)動(dòng)不斷受到阻礙而減速。激光的這種作用被形象地稱為“
光學(xué)粘膠”。在試驗(yàn)中，被“粘”住的原子可以降到幾乎接近絕對(duì)零度的低溫。
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激光能把材料中的熱量逐漸排出，直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。美國(guó)的科學(xué)家已經(jīng)研制出激光冷卻器的樣機(jī)，他們希望能把這些冷卻器放到衛(wèi)星上使用。近幾十年來(lái)，一種叫做多普勒冷卻的技術(shù)一直在用激光冷卻材料，利用光子使原子減速。能量從原子到光子的轉(zhuǎn)換能使原子冷卻到絕對(duì)溫度零上百萬(wàn)分之一度弱。但是只是在極小的尺寸上才能作到這一點(diǎn)。
XWk/S $-d u V=rLDY 利用光使大的物體冷卻的想法是德國(guó)物理學(xué)家晉林希姆在1929年首先提出的。他的想法是當(dāng)物質(zhì)發(fā)射熒光時(shí)，它會(huì)變冷。當(dāng)分子吸收光時(shí)，它的電子就受激。這個(gè)新的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，分子必須失去多余的能量。要作到這一點(diǎn)，可通過(guò)使分子發(fā)生永久性化學(xué)變化（如拆開一個(gè)鍵），或者是將分子升溫，使它和周圍環(huán)境變熱。多余的能量會(huì)以光的形式離開分子。
]+ ug:E{7 mN*9X[ >x 通過(guò)使熒光離開全部能量，比吸收的能量更多，冷卻便可實(shí)現(xiàn)。其方法便是對(duì)
激光束中光子的能量進(jìn)行挑選，以便它只被材料中那些已經(jīng)具有某種能量的分子所吸收，以首先實(shí)現(xiàn)對(duì)這些分子的“加熱”。
: |P "`j i^="*t\i 利用統(tǒng)計(jì)方法可以看到，物質(zhì)中有一小部分分子總是比其他分子溫度高。當(dāng)它們吸收光子時(shí)，它們就受激進(jìn)入更高一級(jí)的能態(tài)。在有些材料中這時(shí)熒光會(huì)把分子帶到比它們?cè)瓉?lái)的能級(jí)更低，即更“冷”的振動(dòng)態(tài)。離開分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能，這種情況被稱為反斯托克斯熒光。
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pu%nWN 在理論上普林希姆的想法很好，但是實(shí)踐起來(lái)卻困難重重。主要的難點(diǎn)在于要找到一種合適的熒光材料并把它固定在一個(gè)能讓所有的入射光都被吸收和讓所有的熒光都被放出的“清澈”的固體上。
C+O`3wPZp >q4nQ/eP 阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組首次做到了利用這種方法使一個(gè)固體冷卻。愛(ài)潑斯坦、戈斯內(nèi)爾和他們的同事使高能紅外激光在一個(gè)用鐿（yb3+）離子“滲雜”的玻璃基質(zhì)上聚集。
vy6NH5Q (\# j3Y)r 特地選擇鐿是因?yàn)樗l(fā)熒光的效率高而且電子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這樣被吸收的能量作為熱運(yùn)動(dòng)在材料里喪失的機(jī)會(huì)就少些。
(w@|:0t^y[ M[HPHNsA& 愛(ài)潑斯坦小組在1995年對(duì)一塊火柴棍大小的玻璃作實(shí)驗(yàn)時(shí)，作到了熱能的損失率是激光能量的2%，它是在氣體中用多普勒冷卻所能夠達(dá)到的效率的10，000倍。按照戈斯內(nèi)爾的的說(shuō)法，他們所以獲得成功是因?yàn)椴ＡЩ|(zhì)高度純凈，因而可以作到不會(huì)散射或吸收激光。
gXs@FhR0 F0]= z - 他說(shuō)：“值得慶幸的是我們現(xiàn)在制造純凈玻璃供
光纖用的能力很強(qiáng)。”這次實(shí)驗(yàn)玻璃的溫度只下降0.3℃，但當(dāng)他們用光纖代替玻璃塊，并且增加被吸收的激光量時(shí)，他們作到使試樣的溫度冷卻在16℃的溫度下。在那以后，愛(ài)潑斯坦和他的同事用一對(duì)新型的鏡子形成一個(gè)空腔，用這方法將他們的技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)和相應(yīng)擴(kuò)大。
A#LK2II^ et/mfzV 這對(duì)鏡子把一塊直徑約3厘米的摻鐿的玻璃圍在里面，它們能讓鐿的熒光通過(guò)，所以能量很容易離開。然而它們會(huì)反射激光束，所以激光速會(huì)在空腔中亂跳從而使冷卻的效率更高。在樣機(jī)的空腔中，摻鐿的玻璃以0.5瓦每秒的速度失去能量。
6 3K ec pO=bcs8Z 科學(xué)家們計(jì)算，假如把空腔加以微調(diào)，它的溫度能冷卻到絕對(duì)溫度60度（約―213℃）。 愛(ài)潑斯坦十分樂(lè)觀，他說(shuō)“我們年內(nèi)即將有一個(gè)真正的冷卻器。”
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