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原子光子气体科学家试制新型“激声”放大器

据美国物理学家组织网9月8日(北京时间)报道,在今年庆贺激光诞生50周年之际,科学家正在研究一种新型的相干声束放大器,其利用的是声而不是光。科学家最近对此进行了演示,在一种超冷原子气体中,声子也能在同一方向共同激发,就和光子受激发射相似,因此这种装置也被称为“激声器”。

声子激发理论是2009年由马克斯·普朗克研究院和加州理工学院的一个科研小组首次提出的,目前尚处于较新的研究领域。其理论认为,声子是振动能量的最小独立单位,也能像光子那样,通过激发产生高度相干的声波束,尤其是高频超声波。他们首次描述了一个镁离子在电磁势阱中被冷冻到大约1/1000开氏温度,能生成单个离子的受激声子。但是单个声子的受激放大和一个光子还有区别,声子频率由单原子振动的频率所决定而不是和集体振动相一致。

在新研究中,葡萄牙里斯本高等技术学院的J.T.曼登卡与合作团队把单离子声子激发的概念,扩展到一个大的原子整体。为了做到这一点,他们演示了超冷原子气体整合声子激发。与单离子的情况相比,这里的声子频率由气态原子的内部振动所决定,和光子的频率是由光腔内部的振动所决定一样。

无论相干电磁波,还是相干声波,最大的困难来自选择系统、频率范围等方面。曼登卡说,该研究中的困难是要模仿光波受激放大发射的机制,但产生的是声子,而不是光子。即通过精确控制超冷原子系统,使其能完全按照激光发射的机制来发射相干声子。

新方法将气体限定在磁光陷阱中,通过3个物理过程产生激态声子。首先,一束红失谐激光将原子气体冷却到超冷温度;然后用一束蓝失谐光振动超冷原体气体,生成一束不可见光,最后使原子形成声子相干发射,此后衰变到低能级状态。研究人员指出,最后形成的声波能以机械或电磁的方式与外部世界连接,系统只是提供一种相干发射源。

关于给声子激发命名,科学家先是沿袭“镭射(laser)”之名使用了“声射(saser)”,即声音受激放大发射。但曼登卡认为使用“激声(phaser)”更准确,它强调了声子的量子特性而不是声音,也暗示了其发射过程类似于光子受激发射。

高相干超声波束的一个可能用途是,在X光断层摄影术方面,能极大地提高图像的解析度。曼登卡说:“激光刚开发出来时,仅被当做一种不能解决任何问题的发明。所以,对于激声,我们现在担心的只是基础科学方面的问题,而不是应用问题。”

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