控制原子移动，挑战绝对零度

2017-04-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

撰文 马克·G·雷曾(Mark G. Raizen)

翻译庞玮

在你的目光扫过这行文字之际,周围的空气分子正以每秒大约1 000 米的速度纵横飞舞——比出膛的子弹还快,从四面八方对你进行狂轰滥炸。构成你身体的原子和分子也全都躁动不安,在永无休止地摇摆振动、相互撞击。自然界中没有真正的宁静,万物都在运动之中,速度越快,携带的能量也就越大。我们能感受到这些原子和分子携带的集体能量,并称之为“热”。

尽管在物理学上,完全静止对应于绝对零度(absolute zero),是不可能实现的,但科学家从未放弃逼近这一终极极限的尝试。在超低温的世界里,奇异的量子现象开始崭露头角,塑造出前所未见的特殊物质形态。确切地说,将一团气态原子云(而非液态或固态物质)冷却到差一丁点就到绝对零度的超低温下,研究人员已经观测到物质粒子呈现出类似于波的行为,并借此制造出了有史以来最精确的测量设备和最准确的原子时钟。

但这些原子冷却技术存在一个缺陷:只适用于元素周期表上为数不多的几种元素,用途大大受限。以所有原子中最简单的氢原子为例,它们的冷却在很长一段时间内都是一项极端困难的挑战。不过现在,我的研究团队已经展示了一种全新的冷却方法,不仅能够冷却大多数元素的原子,对许多类型的分子也同样有效。

我的灵感来自于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在维多利亚时代(1837-1901)提出的一个思维实验。这位伟大的苏格兰物理学家设想出了一个理论上可能存在的“妖精”,似乎有能力违背热力学定律。

新发现的这种能力将为基础研究开拓新的方向,具有广泛的实际用途。这项技术经过一些变化,或许可以发展出新的流程用于提纯稀有同位素,它们在医疗和基础研究领域有着重要用途。另一项副产品有望提高制造计算机芯片所采用的纳米尺度加工技术的精度。而在科学领域,冷却的原子和分子或许能让科学家探索介于量子物理和常规化学之间的空白地带,或者寻找物质和反物质之间可能存在的性质差别。超冷的氢原子及其同位素能帮助小型实验室研究一些基础物理问题,而在传统上,这类研究需要动用粒子加速器之类的庞大设备才行。

与子弹赛跑

巧妙利用电磁炮给超音速气流中的原子或分子减速,被截停的气体可以冷却到0.01 K。

让原子和分子原地待命、听从指挥,可不是易事一桩。在通常的实验中,研究人员会先将固体试样加热,或用激光将它直接气化,从而产生由特定化学元素构成的稀薄气体。接下来必须要做的,就是减慢这团气体中粒子的运动速度,将它们约束在一个真空室内,并且要远离真空室的内壁。

我的着眼点则是一个由来已久的小窍门。化学家早在40多年前就发现,压力为几个大气压的气体穿过一个小孔进入真空时,伴随着快速扩散,气流的温度会显著降低。不同寻常的是,这些“超音速气流”几乎都是单能量的——也就是说,这些分子的速度全都非常接近平均速度。举例来说,如果一束气流以每秒1 000 米的速度喷出,其中分子的运动速度与该速度值的偏差最多只有每秒10 米。而室温下平均速度同为每秒1 000 米的空气分子,单个分子的速度可能介于从静止到每秒2 000 米之间的任意数值。这就意味着,按照热力学观点,尽管这些气流携带着可观的能量,它们的温度却极低。换个角度来思考:如果一位观测者以每秒1 000 米的速度随气流一同运动,他会看到其中的分子以极慢的速度运动,对应的热力学温度只比绝对零度高出1/100℃!

我意识到,如果我和同事能降低这样一束气流的速度,让它们停止前进,同时又不破坏内在的速度分布,就能得到一团温度很低的原子,可供捕获并进一步冷却。

为了实现这个目标,我的团队与以色列特拉维夫大学的化学家乌齐·埃文(Uzi Even)合作,从2004年开始研究这些超音速气流。我们最初的尝试是建造一个带有桨片的旋转圆筒,并让桨片边缘的运动速度恰好等于超音速气流速度的一半。我们将气流脉冲瞄向旋转圆筒中正在后退的桨片,通过调节桨片的速度,让气流的速度刚好能够跟桨片的速度相抵消。这些气体原子从圆筒中反弹时,圆筒会吸收它们的全部动能,就好像向后挥动网球拍可以截停前方打过来的网球一样。

不过,这套装置很难使用,因为它要求对桨片速度进行极其精密的微调。美国得克萨斯大学奥斯汀分校电机中心主任罗伯特·赫布纳(Robert Hebner)提出了一种不同的设计方案:让气体从电磁炮(coilgun)内部高速运行的弹丸背后反弹。电磁炮是一种试验性武器,利用磁场而非火药将磁性弹丸推出炮膛。它的原理是加速弹丸通过一系列线圈,这些线圈中有电流流过,会感生出磁场。弹丸实际上就是一根小磁棒,受磁场吸引从线圈中间通过。因此,在靠近线圈时,弹丸会受到吸力作用而加速。一旦弹丸穿过线圈中心,这一磁力又会反过来拖它的后腿,将弹丸速度减慢到原来的水平。不过对每一个线圈来说,在弹丸穿过它中心的那一瞬间,线圈中的电流都会被切断,从而让磁力总是朝着出膛这一正确方向推动弹丸加速前进。

我很快就意识到,我们可以借用赫布纳的这个点子,而且完全不需要弹丸。实际上,我们可以把同样的原理直接应用于气流本身,不过要反其道而行之:不是用磁场来加速弹丸,而是让电磁炮里的线圈直接作用于气体分子,将它们截停(参见右页插图)。这种想法是可行的,因为大多数原子都带有一个微弱的磁场,而且当电子处于激发态时,所有原子都拥有磁场。许多分子也拥有磁场。

我们建造了一台新装置,先对激发的氖原子、后对氧气分子进行了试验。结果是,我们成功截停了这两种气体。我们当时不知道,弗雷德里克·默克特(Frederic Merkt)领导的一个团队在瑞士苏黎世也独立提出了相同的方案,而且差不多就在我们进行试验的同时,他们也成功截停了氢原子。世界各地的其他几个研究团队现在也已经建造了他们自己的原子电磁炮,这些设备都非常简单耐用,用普通的铜线圈、现成的电容和三极管就能制作出来。

一旦用这种方式成功截停了原子,将它们束缚在稳恒磁场中就轻而易举了。更困难的是,如何进一步冷却这些原子。尽管0.01 K(即比绝对零度高出 1/100℃)听上去已经很冷了,但与其他冷却技术能够达到的最低温度相比,这一温度还是太高了。我们必须找到进一步降温的方法。

单向大门

借麦克斯韦提出的那只能控制原子单向通过的“妖精”之力,截停的原子可以被进一步冷却。

早在原子电磁炮的概念连影子都还没有的时候,我就开始思考有没有普遍适用的冷却方法,但长期以来一直徒劳无获。20 世纪80 年代发明的激光冷却技术(laser cooling)已经取得了极大的成功——不仅实现了玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)这种新的物质形态,相关成果还在1997 年和2001 年两度获得诺贝尔物理学奖。但激光冷却技术的适用范围主要局限在元素周期表的第一列,比如纳和钾,因为这些元素易于在基态和单激发态之间来回跃迁,这是该技术所需的先决条件。我考虑的另一种技术叫蒸发冷却(evaporative cooling),就是让热原子逃逸,只留下较冷的原子(这跟汗水从皮肤上蒸发能让我们感觉凉快是一个道理)。但是如果没有激光冷却的协助,原子气体很难达到足够高的密度,来启动这种蒸发过程。

2004 年1 月,我在美国普林斯顿大学访问期间,与等离子体物理学家纳撒尼尔·J·菲什(Nathaniel J. Fisch)进行了交流。他告诉了我一个他刚刚想到的点子:如何利用一种让电子只能朝一个方向前进而不能反向前进的设计方案,在等离子体(plasma,即电子和正离子构成的气体)中驱动一个电流。这让我开始思考,我们能不能对原子或分子也进行类似操作,建造一道只让原子单向通过的“门”。

暂且把如何建造这扇单向门的技术问题放在一边,先来解释一下这样的装置为何有助于冷却气体。第一步应该是减少气体体积而不提高它的温度。假设有一扇门将一个容器分隔成两部分。气体原子在容器内随机反弹,迟早有机会飞向大门。如果这扇门是单向门,比方说只让原子从左向右通过,那么最终所有原子都将集中到容器的右侧。关键在于,这些原子的速度在上述过程中不会发生改变,因此气体的温度与初始状态没有两样。(在热力学上,该过程与将气体压缩到容器右半边完全不同,后者会加速原子,导致温度升高。)

第二步应该是让气体膨胀回原先的体积。气体膨胀时,温度便会下降,我们使用喷雾器时觉得罐子发凉就是这个原因。如此一来,最终结果将是,气体的体积没有改变,温度却降得更低了。

但是,这其中存在一个长期困扰物理学家的问题——这类能够整理原子的门似乎会违背物理学定律。热力学中用熵(entropy)来衡量一个系统的无序程度,处于压缩状态时气体拥有的熵更低。然而,根据热力学第二定律,如果不消耗能量或者在其他地方产生更多的熵,一个系统的熵是不可能降低的。

这个悖论自詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James ClerkMaxwell)在1871 年提出那项著名的思维实验时起,就一直是物理学界争论不休的话题。在这项思维实验中,麦克斯韦设想了一种“双手灵巧的智慧生物”,能够看清粒子运动的方向,并据此相应地打开或者关闭大门。这种想象出来的生物后来被称为“麦克斯韦妖”(Maxwell’s demon),似乎能够违背热力学第二定律,因为它能够降低气体的熵,消耗的能量却小到可以忽略不计。直到多年之后的1929 年,莱奥·西拉德(Leo Szilard)才破解了这一悖论。他提出,麦克斯韦妖每次都需要收集信息来决定门的开关。西拉德主张,这些信息也携带着熵,恰好抵消了气体中熵的降低——热力学第二定律就这样得到了“拯救”。(西拉德超越了他所处的时代:可以说正是“信息具有实际物理意义”这一概念,在随后的几十年里推动了现代信息科学的建立和发展。)

包括西拉德的解释在内,围绕麦克斯韦妖悖论的所有思考,都只停留在理论推测层面。几十年又过去了,这个问题似乎永远要如此悬而不决下去。好在,水落石出的时刻终于到了——我和同事首次在物理上原原本本地实现了麦克斯韦的这项思维实验。(最近其他一些实验也实现了概念上类似于麦克斯韦妖的东西,但他们用的是纳米机器,而非控制气体单向通过的大门。)我们利用麦克斯韦妖,将原子温度降到了0.000015 K。

接下来我们会看到,我们建造的装置不仅阐明了麦克斯韦妖如何能够实际存在,还证明了西拉德的观点是正确的——信息确实在其中起到了关键作用。

为了实现单向门,我推测,气体原子必须具备两种不同但能量较低因而都比较稳定的状态(这里的状态是指原子核外电子的排布方式)。我们不妨用蓝色和红色来称呼这两种状态。这些原子悬浮在一个容器中,一束激光将容器分隔成两个区域。这束激光的波长可以调节,让红色原子一旦靠近就被反弹回去,因此它的实际作用就相当于一扇关闭的大门。一开始,所有原子都是蓝色的,因此能够不受阻碍地穿越这道激光屏障。但就在激光屏障的右边,原子被第二束激光击中,这束激光经过调制,让原子与单个光子发生散射之后由蓝变红。现在,这个红色原子会被激光屏障阻挡,因此无法再穿过大门回到容器左侧。最终,所有原子都会聚集在容器右侧,留下左边空空如也。

2008 年初,我们用铷原子首次演示了这种原子单向门。我们把这种方法称为单光子冷却(single-photon cooling),以示与此前的激光冷却技术有所区别,后者冷却每一个原子都需要许多个光子。

我后来得知,几乎与此同时,西班牙毕尔巴鄂大学(university of bilbao) 的贡萨洛· 穆加(Gonzalo Muga)与同事安德列亚斯· 鲁施豪普特(Andreas Ruschhaupt,现任职于德国汉诺威莱布尼兹大学)合作,也独立发展出了类似的概念。从那时以来,我和穆加、鲁施豪普特已经对这道单向门进行了一些理论分析。我们在2006 年合作发表的一篇论文中指出,一个原子与一个光子发生散射时,这个光子就会带走这个原子的相关信息——因而也就带走了少量的熵。不仅如此,这个光子原本属于一个有序的光子流(激光束),散射后却沿随机方向射出。如此一来,光子就变得更加无序了。我们的计算表明,这一过程导致的光子的熵的增加,与原子受到单向门制约而导致的熵的降低,恰好可以两相抵消。因此,单光子冷却技术确实遵循着莱奥·西拉德在1929年预见的那种方式,扮演了麦克斯韦妖的角色。在我们的方案中,麦克斯韦妖的手段特别简洁有效:一束激光通过散射单个光子便导致了一个不可逆过程。这样一只妖精既不是智慧的精灵,也不是超级电脑,不需要收集这些原子的信息来决定门的开关。对它而言,只要这样的信息存在,而且理论上可以被收集,这就足够了。

捕获与冷却

新技术在反物质等基础科学领域大有用处,在同位素和纳米结构等实际应用领域也有用武之地。

对原子和分子运动的控制,开辟了一个新的科学方向。化学家一直梦寐以求能捕获并冷却分子,以便在量子层面研究化学反应。原子电磁炮可以作用于所有磁性分子,对化学家常用的一种用电力而非磁力减慢任何电偏振分子的方法来说,这是一种有效的补充。如果这些分子足够小,单光子冷却就应该能将它们冷却到足够低温,以便让量子效应开始占上风。比方说,分子会延展成物质波,能够在比通常远得多的距离上发生化学反应,而且不像普通化学反应那样必须有动能来添一把火。目前已有几个团队针对这一方向展开研究。

单光子冷却的另一大优势是,它能冷却氢和氢的同位素——原子核中包含一个质子和一个中子的氘(deuterium),以及包含一个质子和两个中子的氚(tritium)。20 世纪90 年代末,美国麻省理工学院的丹·克莱普纳(Dan Kleppner)和托马斯·J·格雷塔克(Thomas J. Greytak)经过超凡的努力,利用传统低温方法和蒸发冷却技术,成功捕获并冷却了氢原子气,但他们从未在氢的同位素上取得同样的成功。要取得进一步突破,关键在于要找到新的方法,用更为简单的装置捕获并冷却氢同位素。单光子冷却技术能完美地捕获并冷却氢的全部三种同位素。我们的目标之一是要进一步提高超精密光谱分析的精度极限,这是冷却原子的另一个重要应用。

捕获和冷却氚原子或许有助于实现对中微子(neutron)质量的测量,而中微子是宇宙中数目最丰富的已知基本粒子,因此这也有助于我们更好地理解中微子的引力对宇宙演化所起的作用。氚是放射性原子,会衰变成氦3——在这一过程中,氚包含的两个中子中有一个衰变成了一个质子、一个电子和一个反中微子(antineutrino,中微子的反粒子)。通过测量以β 射线形式向外辐射的电子的能量,物理学家能够确定那个轻易穿透设备而没有被检测到的反中微子带走了多少能量,从而确定这个粒子的质量。物理学家预计,中微子的质量应该与反中微子相同。

同样的方法还可以用于捕获和冷却反氢原子(antihydrogen),也就是氢原子的反物质对称粒子。反氢原子直到最近才在日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)被创造出来,它极难操控,因为只要与物质发生接触,反物质都会瞬间湮灭成能量。在这种情况下,超音速气流法不能用来对反氢原子进行前期冷却。相反,将反中子射入质子云中便可以产生一束反氢原子气流,然后再用我们的麦克斯韦妖来截停并冷却这些原子。反氢原子实验将有能力解答这样一个简单的问题:反物质会像物质一样下落吗?换一种说法,这个问题就是:对于质量相同的所有物体,引力施加的影响完全相同吗?

原子电磁炮和单光子冷却作为新技术,同样有着重要的实际应用。目前,用来给元素周期表中大多数元素分离同位素的设备,仍是欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)在曼哈顿计划中发明的一种叫做卡留管(calutron)的设备。卡留管利用一个电场来分离质量略有差别的不同同位素,本质上就像一个大型质谱仪(spectrometer)。现在唯一仍在运行的卡留管项目位于俄罗斯,而且效率十分低下。与我们用来冷却原子的麦克斯韦妖类似的概念,也可以用来分离一束原子流中的同位素,效率应该会超过卡留管。这种方法能够制备少量同位素,如钙48 或镱168,以满足医疗和基础研究的需要,同时又不会产生核扩散风险,因为它在实际应用中只能分离出非常少量的同位素。

搭建纳米级结构则是我们正在发掘的另一项附带应用。除了用磁场来减速原子之外,人们还能用磁场来聚焦原子束,就像用透镜聚焦光线一样,但聚焦精度可达1 纳米,甚至更高。这样的原子束可以在指定位置堆放原子构建微观结构,精度足以超越当代计算机芯片制造业黄金标准——光刻技术(optical lithography)所能做到的极限。与目前纳米科学中更常见的自上而下式工艺流程不同,这种通过自下而上的方式构建纳米结构的能力,将开创一个我称之为“原米科学”(atomoscience)的崭新领域。

绝对零度这个终点站或许永远都无法抵达,但沿途仍有无限风光在静候欣赏,有无限新知在等待收获。

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