控制原子移動，挑戰(zhàn)絕對零度

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

撰文 馬克·G·雷曾(Mark G. Raizen)

翻譯龐瑋

在你的目光掃過這行文字之際,周圍的空氣分子正以每秒大約1 000 米的速度縱橫飛舞——比出膛的子彈還快,從四面八方對你進行狂轟濫炸。構(gòu)成你身體的原子和分子也全都躁動不安,在永無休止地搖擺振動、相互撞擊。自然界中沒有真正的寧靜,萬物都在運動之中,速度越快,攜帶的能量也就越大。我們能感受到這些原子和分子攜帶的集體能量,并稱之為“熱”。

盡管在物理學(xué)上,完全靜止對應(yīng)于絕對零度(absolute zero),是不可能實現(xiàn)的,但科學(xué)家從未放棄逼近這一終極極限的嘗試。在超低溫的世界里,奇異的量子現(xiàn)象開始嶄露頭角,塑造出前所未見的特殊物質(zhì)形態(tài)。確切地說,將一團氣態(tài)原子云(而非液態(tài)或固態(tài)物質(zhì))冷卻到差一丁點就到絕對零度的超低溫下,研究人員已經(jīng)觀測到物質(zhì)粒子呈現(xiàn)出類似于波的行為,并借此制造出了有史以來最精確的測量設(shè)備和最準確的原子時鐘。

但這些原子冷卻技術(shù)存在一個缺陷:只適用于元素周期表上為數(shù)不多的幾種元素,用途大大受限。以所有原子中最簡單的氫原子為例,它們的冷卻在很長一段時間內(nèi)都是一項極端困難的挑戰(zhàn)。不過現(xiàn)在,我的研究團隊已經(jīng)展示了一種全新的冷卻方法,不僅能夠冷卻大多數(shù)元素的原子,對許多類型的分子也同樣有效。

我的靈感來自于詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)在維多利亞時代(1837-1901)提出的一個思維實驗。這位偉大的蘇格蘭物理學(xué)家設(shè)想出了一個理論上可能存在的“妖精”,似乎有能力違背熱力學(xué)定律。

新發(fā)現(xiàn)的這種能力將為基礎(chǔ)研究開拓新的方向,具有廣泛的實際用途。這項技術(shù)經(jīng)過一些變化,或許可以發(fā)展出新的流程用于提純稀有同位素,它們在醫(yī)療和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有著重要用途。另一項副產(chǎn)品有望提高制造計算機芯片所采用的納米尺度加工技術(shù)的精度。而在科學(xué)領(lǐng)域,冷卻的原子和分子或許能讓科學(xué)家探索介于量子物理和常規(guī)化學(xué)之間的空白地帶,或者尋找物質(zhì)和反物質(zhì)之間可能存在的性質(zhì)差別。超冷的氫原子及其同位素能幫助小型實驗室研究一些基礎(chǔ)物理問題,而在傳統(tǒng)上,這類研究需要動用粒子加速器之類的龐大設(shè)備才行。

與子彈賽跑

巧妙利用電磁炮給超音速氣流中的原子或分子減速,被截停的氣體可以冷卻到0.01 K。

讓原子和分子原地待命、聽從指揮,可不是易事一樁。在通常的實驗中,研究人員會先將固體試樣加熱,或用激光將它直接氣化,從而產(chǎn)生由特定化學(xué)元素構(gòu)成的稀薄氣體。接下來必須要做的,就是減慢這團氣體中粒子的運動速度,將它們約束在一個真空室內(nèi),并且要遠離真空室的內(nèi)壁。

我的著眼點則是一個由來已久的小竅門?；瘜W(xué)家早在40多年前就發(fā)現(xiàn),壓力為幾個大氣壓的氣體穿過一個小孔進入真空時,伴隨著快速擴散,氣流的溫度會顯著降低。不同尋常的是,這些“超音速氣流”幾乎都是單能量的——也就是說,這些分子的速度全都非常接近平均速度。舉例來說,如果一束氣流以每秒1 000 米的速度噴出,其中分子的運動速度與該速度值的偏差最多只有每秒10 米。而室溫下平均速度同為每秒1 000 米的空氣分子,單個分子的速度可能介于從靜止到每秒2 000 米之間的任意數(shù)值。這就意味著,按照熱力學(xué)觀點,盡管這些氣流攜帶著可觀的能量,它們的溫度卻極低。換個角度來思考:如果一位觀測者以每秒1 000 米的速度隨氣流一同運動,他會看到其中的分子以極慢的速度運動,對應(yīng)的熱力學(xué)溫度只比絕對零度高出1/100℃!

我意識到,如果我和同事能降低這樣一束氣流的速度,讓它們停止前進,同時又不破壞內(nèi)在的速度分布,就能得到一團溫度很低的原子,可供捕獲并進一步冷卻。

為了實現(xiàn)這個目標,我的團隊與以色列特拉維夫大學(xué)的化學(xué)家烏齊·埃文(Uzi Even)合作,從2004年開始研究這些超音速氣流。我們最初的嘗試是建造一個帶有槳片的旋轉(zhuǎn)圓筒,并讓槳片邊緣的運動速度恰好等于超音速氣流速度的一半。我們將氣流脈沖瞄向旋轉(zhuǎn)圓筒中正在后退的槳片,通過調(diào)節(jié)槳片的速度,讓氣流的速度剛好能夠跟槳片的速度相抵消。這些氣體原子從圓筒中反彈時,圓筒會吸收它們的全部動能,就好像向后揮動網(wǎng)球拍可以截停前方打過來的網(wǎng)球一樣。

不過,這套裝置很難使用,因為它要求對槳片速度進行極其精密的微調(diào)。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校電機中心主任羅伯特·赫布納(Robert Hebner)提出了一種不同的設(shè)計方案:讓氣體從電磁炮(coilgun)內(nèi)部高速運行的彈丸背后反彈。電磁炮是一種試驗性武器,利用磁場而非火藥將磁性彈丸推出炮膛。它的原理是加速彈丸通過一系列線圈,這些線圈中有電流流過,會感生出磁場。彈丸實際上就是一根小磁棒,受磁場吸引從線圈中間通過。因此,在靠近線圈時,彈丸會受到吸力作用而加速。一旦彈丸穿過線圈中心,這一磁力又會反過來拖它的后腿,將彈丸速度減慢到原來的水平。不過對每一個線圈來說,在彈丸穿過它中心的那一瞬間,線圈中的電流都會被切斷,從而讓磁力總是朝著出膛這一正確方向推動彈丸加速前進。

我很快就意識到,我們可以借用赫布納的這個點子,而且完全不需要彈丸。實際上,我們可以把同樣的原理直接應(yīng)用于氣流本身,不過要反其道而行之:不是用磁場來加速彈丸,而是讓電磁炮里的線圈直接作用于氣體分子,將它們截停(參見右頁插圖)。這種想法是可行的,因為大多數(shù)原子都帶有一個微弱的磁場,而且當(dāng)電子處于激發(fā)態(tài)時,所有原子都擁有磁場。許多分子也擁有磁場。

我們建造了一臺新裝置,先對激發(fā)的氖原子、后對氧氣分子進行了試驗。結(jié)果是,我們成功截停了這兩種氣體。我們當(dāng)時不知道,弗雷德里克·默克特(Frederic Merkt)領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊在瑞士蘇黎世也獨立提出了相同的方案,而且差不多就在我們進行試驗的同時,他們也成功截停了氫原子。世界各地的其他幾個研究團隊現(xiàn)在也已經(jīng)建造了他們自己的原子電磁炮,這些設(shè)備都非常簡單耐用,用普通的銅線圈、現(xiàn)成的電容和三極管就能制作出來。

一旦用這種方式成功截停了原子,將它們束縛在穩(wěn)恒磁場中就輕而易舉了。更困難的是,如何進一步冷卻這些原子。盡管0.01 K(即比絕對零度高出 1/100℃)聽上去已經(jīng)很冷了,但與其他冷卻技術(shù)能夠達到的最低溫度相比,這一溫度還是太高了。我們必須找到進一步降溫的方法。

單向大門

借麥克斯韋提出的那只能控制原子單向通過的“妖精”之力,截停的原子可以被進一步冷卻。

早在原子電磁炮的概念連影子都還沒有的時候,我就開始思考有沒有普遍適用的冷卻方法,但長期以來一直徒勞無獲。20 世紀80 年代發(fā)明的激光冷卻技術(shù)(laser cooling)已經(jīng)取得了極大的成功——不僅實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)這種新的物質(zhì)形態(tài),相關(guān)成果還在1997 年和2001 年兩度獲得諾貝爾物理學(xué)獎。但激光冷卻技術(shù)的適用范圍主要局限在元素周期表的第一列,比如納和鉀,因為這些元素易于在基態(tài)和單激發(fā)態(tài)之間來回躍遷,這是該技術(shù)所需的先決條件。我考慮的另一種技術(shù)叫蒸發(fā)冷卻(evaporative cooling),就是讓熱原子逃逸,只留下較冷的原子(這跟汗水從皮膚上蒸發(fā)能讓我們感覺涼快是一個道理)。但是如果沒有激光冷卻的協(xié)助,原子氣體很難達到足夠高的密度,來啟動這種蒸發(fā)過程。

2004 年1 月,我在美國普林斯頓大學(xué)訪問期間,與等離子體物理學(xué)家納撒尼爾·J·菲什(Nathaniel J. Fisch)進行了交流。他告訴了我一個他剛剛想到的點子:如何利用一種讓電子只能朝一個方向前進而不能反向前進的設(shè)計方案,在等離子體(plasma,即電子和正離子構(gòu)成的氣體)中驅(qū)動一個電流。這讓我開始思考,我們能不能對原子或分子也進行類似操作,建造一道只讓原子單向通過的“門”。

暫且把如何建造這扇單向門的技術(shù)問題放在一邊,先來解釋一下這樣的裝置為何有助于冷卻氣體。第一步應(yīng)該是減少氣體體積而不提高它的溫度。假設(shè)有一扇門將一個容器分隔成兩部分。氣體原子在容器內(nèi)隨機反彈,遲早有機會飛向大門。如果這扇門是單向門,比方說只讓原子從左向右通過,那么最終所有原子都將集中到容器的右側(cè)。關(guān)鍵在于,這些原子的速度在上述過程中不會發(fā)生改變,因此氣體的溫度與初始狀態(tài)沒有兩樣。(在熱力學(xué)上,該過程與將氣體壓縮到容器右半邊完全不同,后者會加速原子,導(dǎo)致溫度升高。)

第二步應(yīng)該是讓氣體膨脹回原先的體積。氣體膨脹時,溫度便會下降,我們使用噴霧器時覺得罐子發(fā)涼就是這個原因。如此一來,最終結(jié)果將是,氣體的體積沒有改變,溫度卻降得更低了。

但是,這其中存在一個長期困擾物理學(xué)家的問題——這類能夠整理原子的門似乎會違背物理學(xué)定律。熱力學(xué)中用熵(entropy)來衡量一個系統(tǒng)的無序程度,處于壓縮狀態(tài)時氣體擁有的熵更低。然而,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,如果不消耗能量或者在其他地方產(chǎn)生更多的熵,一個系統(tǒng)的熵是不可能降低的。

這個悖論自詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James ClerkMaxwell)在1871 年提出那項著名的思維實驗時起,就一直是物理學(xué)界爭論不休的話題。在這項思維實驗中,麥克斯韋設(shè)想了一種“雙手靈巧的智慧生物”,能夠看清粒子運動的方向,并據(jù)此相應(yīng)地打開或者關(guān)閉大門。這種想象出來的生物后來被稱為“麥克斯韋妖”(Maxwell’s demon),似乎能夠違背熱力學(xué)第二定律,因為它能夠降低氣體的熵,消耗的能量卻小到可以忽略不計。直到多年之后的1929 年,萊奧·西拉德(Leo Szilard)才破解了這一悖論。他提出,麥克斯韋妖每次都需要收集信息來決定門的開關(guān)。西拉德主張,這些信息也攜帶著熵,恰好抵消了氣體中熵的降低——熱力學(xué)第二定律就這樣得到了“拯救”。(西拉德超越了他所處的時代:可以說正是“信息具有實際物理意義”這一概念,在隨后的幾十年里推動了現(xiàn)代信息科學(xué)的建立和發(fā)展。)

包括西拉德的解釋在內(nèi),圍繞麥克斯韋妖悖論的所有思考,都只停留在理論推測層面。幾十年又過去了,這個問題似乎永遠要如此懸而不決下去。好在,水落石出的時刻終于到了——我和同事首次在物理上原原本本地實現(xiàn)了麥克斯韋的這項思維實驗。(最近其他一些實驗也實現(xiàn)了概念上類似于麥克斯韋妖的東西,但他們用的是納米機器,而非控制氣體單向通過的大門。)我們利用麥克斯韋妖,將原子溫度降到了0.000015 K。

接下來我們會看到,我們建造的裝置不僅闡明了麥克斯韋妖如何能夠?qū)嶋H存在,還證明了西拉德的觀點是正確的——信息確實在其中起到了關(guān)鍵作用。

為了實現(xiàn)單向門,我推測,氣體原子必須具備兩種不同但能量較低因而都比較穩(wěn)定的狀態(tài)(這里的狀態(tài)是指原子核外電子的排布方式)。我們不妨用藍色和紅色來稱呼這兩種狀態(tài)。這些原子懸浮在一個容器中,一束激光將容器分隔成兩個區(qū)域。這束激光的波長可以調(diào)節(jié),讓紅色原子一旦靠近就被反彈回去,因此它的實際作用就相當(dāng)于一扇關(guān)閉的大門。一開始,所有原子都是藍色的,因此能夠不受阻礙地穿越這道激光屏障。但就在激光屏障的右邊,原子被第二束激光擊中,這束激光經(jīng)過調(diào)制,讓原子與單個光子發(fā)生散射之后由藍變紅。現(xiàn)在,這個紅色原子會被激光屏障阻擋,因此無法再穿過大門回到容器左側(cè)。最終,所有原子都會聚集在容器右側(cè),留下左邊空空如也。

2008 年初,我們用銣原子首次演示了這種原子單向門。我們把這種方法稱為單光子冷卻(single-photon cooling),以示與此前的激光冷卻技術(shù)有所區(qū)別,后者冷卻每一個原子都需要許多個光子。

我后來得知,幾乎與此同時,西班牙畢爾巴鄂大學(xué)(university of bilbao) 的貢薩洛· 穆加(Gonzalo Muga)與同事安德列亞斯· 魯施豪普特(Andreas Ruschhaupt,現(xiàn)任職于德國漢諾威萊布尼茲大學(xué))合作,也獨立發(fā)展出了類似的概念。從那時以來,我和穆加、魯施豪普特已經(jīng)對這道單向門進行了一些理論分析。我們在2006 年合作發(fā)表的一篇論文中指出,一個原子與一個光子發(fā)生散射時,這個光子就會帶走這個原子的相關(guān)信息——因而也就帶走了少量的熵。不僅如此,這個光子原本屬于一個有序的光子流(激光束),散射后卻沿隨機方向射出。如此一來,光子就變得更加無序了。我們的計算表明,這一過程導(dǎo)致的光子的熵的增加,與原子受到單向門制約而導(dǎo)致的熵的降低,恰好可以兩相抵消。因此,單光子冷卻技術(shù)確實遵循著萊奧·西拉德在1929年預(yù)見的那種方式,扮演了麥克斯韋妖的角色。在我們的方案中,麥克斯韋妖的手段特別簡潔有效:一束激光通過散射單個光子便導(dǎo)致了一個不可逆過程。這樣一只妖精既不是智慧的精靈,也不是超級電腦,不需要收集這些原子的信息來決定門的開關(guān)。對它而言,只要這樣的信息存在,而且理論上可以被收集,這就足夠了。

捕獲與冷卻

新技術(shù)在反物質(zhì)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域大有用處,在同位素和納米結(jié)構(gòu)等實際應(yīng)用領(lǐng)域也有用武之地。

對原子和分子運動的控制,開辟了一個新的科學(xué)方向?；瘜W(xué)家一直夢寐以求能捕獲并冷卻分子,以便在量子層面研究化學(xué)反應(yīng)。原子電磁炮可以作用于所有磁性分子,對化學(xué)家常用的一種用電力而非磁力減慢任何電偏振分子的方法來說,這是一種有效的補充。如果這些分子足夠小,單光子冷卻就應(yīng)該能將它們冷卻到足夠低溫,以便讓量子效應(yīng)開始占上風(fēng)。比方說,分子會延展成物質(zhì)波,能夠在比通常遠得多的距離上發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而且不像普通化學(xué)反應(yīng)那樣必須有動能來添一把火。目前已有幾個團隊針對這一方向展開研究。

單光子冷卻的另一大優(yōu)勢是,它能冷卻氫和氫的同位素——原子核中包含一個質(zhì)子和一個中子的氘(deuterium),以及包含一個質(zhì)子和兩個中子的氚(tritium)。20 世紀90 年代末,美國麻省理工學(xué)院的丹·克萊普納(Dan Kleppner)和托馬斯·J·格雷塔克(Thomas J. Greytak)經(jīng)過超凡的努力,利用傳統(tǒng)低溫方法和蒸發(fā)冷卻技術(shù),成功捕獲并冷卻了氫原子氣,但他們從未在氫的同位素上取得同樣的成功。要取得進一步突破,關(guān)鍵在于要找到新的方法,用更為簡單的裝置捕獲并冷卻氫同位素。單光子冷卻技術(shù)能完美地捕獲并冷卻氫的全部三種同位素。我們的目標之一是要進一步提高超精密光譜分析的精度極限,這是冷卻原子的另一個重要應(yīng)用。

捕獲和冷卻氚原子或許有助于實現(xiàn)對中微子(neutron)質(zhì)量的測量,而中微子是宇宙中數(shù)目最豐富的已知基本粒子,因此這也有助于我們更好地理解中微子的引力對宇宙演化所起的作用。氚是放射性原子,會衰變成氦3——在這一過程中,氚包含的兩個中子中有一個衰變成了一個質(zhì)子、一個電子和一個反中微子(antineutrino,中微子的反粒子)。通過測量以β 射線形式向外輻射的電子的能量,物理學(xué)家能夠確定那個輕易穿透設(shè)備而沒有被檢測到的反中微子帶走了多少能量,從而確定這個粒子的質(zhì)量。物理學(xué)家預(yù)計,中微子的質(zhì)量應(yīng)該與反中微子相同。

同樣的方法還可以用于捕獲和冷卻反氫原子(antihydrogen),也就是氫原子的反物質(zhì)對稱粒子。反氫原子直到最近才在日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)被創(chuàng)造出來,它極難操控,因為只要與物質(zhì)發(fā)生接觸,反物質(zhì)都會瞬間湮滅成能量。在這種情況下,超音速氣流法不能用來對反氫原子進行前期冷卻。相反,將反中子射入質(zhì)子云中便可以產(chǎn)生一束反氫原子氣流,然后再用我們的麥克斯韋妖來截停并冷卻這些原子。反氫原子實驗將有能力解答這樣一個簡單的問題:反物質(zhì)會像物質(zhì)一樣下落嗎?換一種說法,這個問題就是:對于質(zhì)量相同的所有物體,引力施加的影響完全相同嗎?

原子電磁炮和單光子冷卻作為新技術(shù),同樣有著重要的實際應(yīng)用。目前,用來給元素周期表中大多數(shù)元素分離同位素的設(shè)備,仍是歐內(nèi)斯特·勞倫斯(Ernest Lawrence)在曼哈頓計劃中發(fā)明的一種叫做卡留管(calutron)的設(shè)備?？艄芾靡粋€電場來分離質(zhì)量略有差別的不同同位素,本質(zhì)上就像一個大型質(zhì)譜儀(spectrometer)。現(xiàn)在唯一仍在運行的卡留管項目位于俄羅斯,而且效率十分低下。與我們用來冷卻原子的麥克斯韋妖類似的概念,也可以用來分離一束原子流中的同位素,效率應(yīng)該會超過卡留管。這種方法能夠制備少量同位素,如鈣48 或鐿168,以滿足醫(yī)療和基礎(chǔ)研究的需要,同時又不會產(chǎn)生核擴散風(fēng)險,因為它在實際應(yīng)用中只能分離出非常少量的同位素。

搭建納米級結(jié)構(gòu)則是我們正在發(fā)掘的另一項附帶應(yīng)用。除了用磁場來減速原子之外,人們還能用磁場來聚焦原子束,就像用透鏡聚焦光線一樣,但聚焦精度可達1 納米,甚至更高。這樣的原子束可以在指定位置堆放原子構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu),精度足以超越當(dāng)代計算機芯片制造業(yè)黃金標準——光刻技術(shù)(optical lithography)所能做到的極限。與目前納米科學(xué)中更常見的自上而下式工藝流程不同,這種通過自下而上的方式構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的能力,將開創(chuàng)一個我稱之為“原米科學(xué)”(atomoscience)的嶄新領(lǐng)域。

絕對零度這個終點站或許永遠都無法抵達,但沿途仍有無限風(fēng)光在靜候欣賞,有無限新知在等待收獲。

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