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67开尔文:激光冷却玻璃取得重大突破

科学探索万象经验2024-03-25

多年来,用激光冷却二氧化硅玻璃被认为是不可能的。然而在2019年,研究人员首次证明了掺镱二氧化硅玻璃的激光冷却。但当时,冷却效率非常低,玻璃只比室温降低了0.7开尔文。最近发表在《Optica》上的一项研究,展示了通过激光诱导的反斯托克斯荧光技术,在掺杂镱的二氧化硅中实现了67开尔文的显著温度降低。

传统的光吸收过程涉及电子吸收能量跃迁至更高的能态,随后通过发射低能量(长波长)的光子而弛豫。而反斯托克斯荧光颠覆了这一过程:特定波长的激光精确激发原子,使其在弛豫时释放出更高能量(短波长)的光子。这一过程有效地从材料中抽走热量,实现了材料的净冷却。这种现象不仅展示了光与物质相互作用的独特性,也为材料科学和光学冷却技术带来了新的理解和应用前景。

这项实验的成功归功于对材料的精心选择和激光参数的优化。掺镱二氧化硅,通过在玻璃中掺入镱离子,研究人员可以增强其与特定波长激光光的相互作用,这对冷却过程至关重要,为利用反斯托克斯荧光提供了理想的平台。当这些镱离子被大约1032纳米波长的激光照射时,它们会经历必要的能级跃迁,从而促进了冷却过程。
(www.Ws46.com)

实验团队不仅精确控制了激光的功率(大约100瓦)以精确泵浦镱离子,还采用了先进的温度测量技术来监控冷却效果。这些集中的努力导致了一个显著的成果:激光成功地将掺镱二氧化硅棒的温度从室温(约300K)下降了67开尔文,达到了约229 K的最终温度。这一成就不仅超越了以往对类似材料进行激光冷却的记录,也为未来的研究和应用奠定了坚实的基础。

这一成就的影响是巨大的,无需物理接触即可使用激光光冷却材料的能力,为高精度测量设备、前沿量子技术和先进光通信系统的发展提供了新的可能性,其中热稳定性至关重要。

  • 增强精密仪器: 通过冷却激光器和探测器等关键部件,该技术有可能通过实现前所未有的灵敏度和稳定性来彻底改变科学实验。

  • 量子技术: 激光冷却在操纵量子比特方面起着至关重要的作用。这项研究为更高效和更无错误的量子计算机操作铺平了道路。

  • 优化光纤: 冷却光纤可以显着降低信号损耗,导致更快、更可靠的数据传输网络。

此外,激光冷却掺杂镱的硅酸盐的优化过程为无振动冷却开辟了新的可能性。这可能会在材料分析和医学诊断中引起革命,特别是在冷冻显微镜和伽马光谱学中,无接触控制温度是有益的。

虽然激光冷却技术已经取得了显著的进步,但仍面临一些挑战。未来的研究将集中在将冷却过程应用于更大尺寸的物体上,并且努力延长冷却效果的持续时间。此外,为了实现这项技术在更多领域的应用,开发出适用于不同类型材料的激光冷却方法也至关重要。这些努力将进一步推动激光冷却技术的发展,并扩大其在科学和工业中的应用前景。