【激光】如何接近绝对零度，激光不光能加热还能制冷

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精华笔记 

激光除了可以加热，还可以制冷，激光制冷是一个十分前沿的物理学研究方向。

一、激光制冷

1. 激光制冷在物理学中属于冷原子的研究范畴。冷原子是要把原子的温度降到接近绝对零度，目前激光制冷的温度可以达到几纳K左右；

2. 单个原子的温度并不好定义，因为温度是一个只具有统计意义的物理量，是把一个系统内大量原子的动能加起来取平均值。而单个原子的温度应该理解为单个原子的运动速度或者动能，冷原子就是动能非常小的原子。

二、激光如何让原子运动速度减小？

1. 原子的能量有高有低，这里说的能量指的是原子中电子具体是处在能量低的基态还是能量高的激发态，并非指原子的动能；

2. 原子的基态和和激发态存在能量差，如果打一道激光到原子上，它的能量低于这个能量差，则激光与原子不发生相互作用。若是激光能量高于这个差值，激光光子有一定机会被原子吸收，使电子跃迁到激发态，原子的能量升高；

3. 激发态的电子不稳定，倾向于掉回基态并释放出一个光子；

4. 激光制冷的过程，是调节激光频率，使单个激光光子的能量比原子基态和激发态的能量差小一些；

5. 如果激光打到原子上时，原子处在相对静止的状态，则激光的能量不足以让原子发生跃迁；如果激光打到原子上时，原子同时向着激光入射的方向运动，由于多普勒效应，原子接受到的激光频率会更低，不会与激光发生相互作用；

6. 如果激光打到原子上时，原子同时逆着激光入射的方向运动，由于多普勒效应，原子接受到的激光频率会更高，因此原子感受到的能量高于基态与激发态的能量差，原子会吸收光子发生跃迁。由于处于高能级的原子不稳定，电子会从高能级掉回基态，并释放出一个光子；

7. 原子释放出光子的方向有两种可能：一是与原子的原运动方向相同，这样原子会获得一个反向的冲击力，速度就降低了，达到制冷效果；二是原子释放的光子与原子的原运动方向相反，原子会进一步加速。但是被加速的原子，又会碰到迎面而来的激光，重复上述过程，直到原子放出使自己减速的光子后才会停止；

8. 从统计学的角度讲，速度越快、动能越大的原子在统计系统中的比例是极少的。久而久之，动能大的原子会越来越少，最终大多数原子会处在不与激光发生作用的动能范围内，达到制冷效果。

三、激光制冷的实际应用

1. 冷原子最具备应用前景的领域是量子计算。量子计算在实施过程中的问题在于量子计算系统会产生误差，这个误差与温度呈指数关系。激光制冷为降低温度提供了系统方法；

2. 冷原子可以帮助科学家更好的理解量子力学。因为量子力学效应会随着温度的升而越发不明显，一个温度极低的量子系统，量子效应十分显著，方便进行研究。