控制原子移動(dòng)，挑戰(zhàn)絕對(duì)零度

2017-04-25 by:CAE仿真在線來(lái)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(guò)這行文字之際,周?chē)目諝夥肿诱悦棵氪蠹s1 000 米的速度縱橫飛舞——比出膛的子彈還快,從四面八方對(duì)你進(jìn)行狂轟濫炸。構(gòu)成你身體的原子和分子也全都躁動(dòng)不安,在永無(wú)休止地?fù)u擺振動(dòng)、相互撞擊。自然界中沒(méi)有真正的寧?kù)o,萬(wàn)物都在運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)于絕對(duì)零度(absolute zero),是不可能實(shí)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(kāi)始嶄露頭角,塑造出前所未見(jiàn)的特殊物質(zhì)形態(tài)。確切地說(shuō),將一團(tuán)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(diǎn)就到絕對(duì)零度的超低溫下,研究人員已經(jīng)觀測(cè)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(lái)最精確的測(cè)量設(shè)備和最準(zhǔn)確的原子時(shí)鐘。

但這些原子冷卻技術(shù)存在一個(gè)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(jiǎn)單的氫原子為例,它們的冷卻在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是一項(xiàng)極端困難的挑戰(zhàn)。不過(guò)現(xiàn)在,我的研究團(tuán)隊(duì)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(duì)許多類型的分子也同樣有效。

我的靈感來(lái)自于詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)在維多利亞時(shí)代(1837-1901)提出的一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)。這位偉大的蘇格蘭物理學(xué)家設(shè)想出了一個(gè)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(kāi)拓新的方向,具有廣泛的實(shí)際用途。這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過(guò)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?cè)卺t(yī)療和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有著重要用途。另一項(xiàng)副產(chǎn)品有望提高制造計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室研究一些基礎(chǔ)物理問(wèn)題,而在傳統(tǒng)上,這類研究需要?jiǎng)佑昧Ｗ蛹铀倨髦惖凝嫶笤O(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(tīng)從指揮,可不是易事一樁。在通常的實(shí)驗(yàn)中,研究人員會(huì)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(lái)必須要做的,就是減慢這團(tuán)氣體中粒子的運(yùn)動(dòng)速度,將它們約束在一個(gè)真空室內(nèi),并且要遠(yuǎn)離真空室的內(nèi)壁。

我的著眼點(diǎn)則是一個(gè)由來(lái)已久的小竅門(mén)?；瘜W(xué)家早在40多年前就發(fā)現(xiàn),壓力為幾個(gè)大氣壓的氣體穿過(guò)一個(gè)小孔進(jìn)入真空時(shí),伴隨著快速擴(kuò)散,氣流的溫度會(huì)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(shuō),這些分子的速度全都非常接近平均速度。舉例來(lái)說(shuō),如果一束氣流以每秒1 000 米的速度噴出,其中分子的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(diǎn),盡管這些氣流攜帶著可觀的能量,它們的溫度卻極低。換個(gè)角度來(lái)思考:如果一位觀測(cè)者以每秒1 000 米的速度隨氣流一同運(yùn)動(dòng),他會(huì)看到其中的分子以極慢的速度運(yùn)動(dòng),對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度只比絕對(duì)零度高出1/100℃!

我意識(shí)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(jìn),同時(shí)又不破壞內(nèi)在的速度分布,就能得到一團(tuán)溫度很低的原子,可供捕獲并進(jìn)一步冷卻。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),我的團(tuán)隊(duì)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(kāi)始研究這些超音速氣流。我們最初的嘗試是建造一個(gè)帶有槳片的旋轉(zhuǎn)圓筒,并讓槳片邊緣的運(yùn)動(dòng)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(guò)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(shí),圓筒會(huì)吸收它們的全部動(dòng)能,就好像向后揮動(dòng)網(wǎng)球拍可以截停前方打過(guò)來(lái)的網(wǎng)球一樣。

不過(guò),這套裝置很難使用,因?yàn)樗髮?duì)槳片速度進(jìn)行極其精密的微調(diào)。美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校電機(jī)中心主任羅伯特·赫布納(Robert Hebner)提出了一種不同的設(shè)計(jì)方案:讓氣體從電磁炮(coilgun)內(nèi)部高速運(yùn)行的彈丸背后反彈。電磁炮是一種試驗(yàn)性武器,利用磁場(chǎng)而非火藥將磁性彈丸推出炮膛。它的原理是加速?gòu)椡柰ㄟ^(guò)一系列線圈,這些線圈中有電流流過(guò),會(huì)感生出磁場(chǎng)。彈丸實(shí)際上就是一根小磁棒,受磁場(chǎng)吸引從線圈中間通過(guò)。因此,在靠近線圈時(shí),彈丸會(huì)受到吸力作用而加速。一旦彈丸穿過(guò)線圈中心,這一磁力又會(huì)反過(guò)來(lái)拖它的后腿,將彈丸速度減慢到原來(lái)的水平。不過(guò)對(duì)每一個(gè)線圈來(lái)說(shuō),在彈丸穿過(guò)它中心的那一瞬間,線圈中的電流都會(huì)被切斷,從而讓磁力總是朝著出膛這一正確方向推動(dòng)彈丸加速前進(jìn)。

我很快就意識(shí)到,我們可以借用赫布納的這個(gè)點(diǎn)子,而且完全不需要彈丸。實(shí)際上,我們可以把同樣的原理直接應(yīng)用于氣流本身,不過(guò)要反其道而行之:不是用磁場(chǎng)來(lái)加速?gòu)椡?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(jiàn)右頁(yè)插圖)。這種想法是可行的,因?yàn)榇蠖鄶?shù)原子都帶有一個(gè)微弱的磁場(chǎng),而且當(dāng)電子處于激發(fā)態(tài)時(shí),所有原子都擁有磁場(chǎng)。許多分子也擁有磁場(chǎng)。

我們建造了一臺(tái)新裝置,先對(duì)激發(fā)的氖原子、后對(duì)氧氣分子進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果是,我們成功截停了這兩種氣體。我們當(dāng)時(shí)不知道,弗雷德里克·默克特(Frederic Merkt)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在瑞士蘇黎世也獨(dú)立提出了相同的方案,而且差不多就在我們進(jìn)行試驗(yàn)的同時(shí),他們也成功截停了氫原子。世界各地的其他幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)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(lái)。

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(chǎng)中就輕而易舉了。更困難的是,如何進(jìn)一步冷卻這些原子。盡管0.01 K(即比絕對(duì)零度高出 1/100℃)聽(tīng)上去已經(jīng)很冷了,但與其他冷卻技術(shù)能夠達(dá)到的最低溫度相比,這一溫度還是太高了。我們必須找到進(jìn)一步降溫的方法。

單向大門(mén)

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

早在原子電磁炮的概念連影子都還沒(méi)有的時(shí)候,我就開(kāi)始思考有沒(méi)有普遍適用的冷卻方法,但長(zhǎng)期以來(lái)一直徒勞無(wú)獲。20 世紀(jì)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(shí)現(xiàn)了玻色-愛(ài)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(jiǎng)。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?yàn)檫@些元素易于在基態(tài)和單激發(fā)態(tài)之間來(lái)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(jué)涼快是一個(gè)道理)。但是如果沒(méi)有激光冷卻的協(xié)助,原子氣體很難達(dá)到足夠高的密度,來(lái)啟動(dòng)這種蒸發(fā)過(guò)程。

2004 年1 月,我在美國(guó)普林斯頓大學(xué)訪問(wèn)期間,與等離子體物理學(xué)家納撒尼爾·J·菲什(Nathaniel J. Fisch)進(jìn)行了交流。他告訴了我一個(gè)他剛剛想到的點(diǎn)子:如何利用一種讓電子只能朝一個(gè)方向前進(jìn)而不能反向前進(jìn)的設(shè)計(jì)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(dòng)一個(gè)電流。這讓我開(kāi)始思考,我們能不能對(duì)原子或分子也進(jìn)行類似操作,建造一道只讓原子單向通過(guò)的“門(mén)”。

暫且把如何建造這扇單向門(mén)的技術(shù)問(wèn)題放在一邊,先來(lái)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(mén)將一個(gè)容器分隔成兩部分。氣體原子在容器內(nèi)隨機(jī)反彈,遲早有機(jī)會(huì)飛向大門(mén)。如果這扇門(mén)是單向門(mén),比方說(shuō)只讓原子從左向右通過(guò),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(guò)程中不會(huì)發(fā)生改變,因此氣體的溫度與初始狀態(tài)沒(méi)有兩樣。(在熱力學(xué)上,該過(guò)程與將氣體壓縮到容器右半邊完全不同,后者會(huì)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(shí),溫度便會(huì)下降,我們使用噴霧器時(shí)覺(jué)得罐子發(fā)涼就是這個(gè)原因。如此一來(lái),最終結(jié)果將是,氣體的體積沒(méi)有改變,溫度卻降得更低了。

但是,這其中存在一個(gè)長(zhǎng)期困擾物理學(xué)家的問(wèn)題——這類能夠整理原子的門(mén)似乎會(huì)違背物理學(xué)定律。熱力學(xué)中用熵(entropy)來(lái)衡量一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度,處于壓縮狀態(tài)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的熵是不可能降低的。

這個(gè)悖論自詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James ClerkMaxwell)在1871 年提出那項(xiàng)著名的思維實(shí)驗(yàn)時(shí)起,就一直是物理學(xué)界爭(zhēng)論不休的話題。在這項(xiàng)思維實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的方向,并據(jù)此相應(yīng)地打開(kāi)或者關(guān)閉大門(mén)。這種想象出來(lái)的生物后來(lái)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?yàn)樗軌蚪档蜌怏w的熵,消耗的能量卻小到可以忽略不計(jì)。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(lái)決定門(mén)的開(kāi)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(shí)代:可以說(shuō)正是“信息具有實(shí)際物理意義”這一概念,在隨后的幾十年里推動(dòng)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(cè)層面。幾十年又過(guò)去了,這個(gè)問(wèn)題似乎永遠(yuǎn)要如此懸而不決下去。好在,水落石出的時(shí)刻終于到了——我和同事首次在物理上原原本本地實(shí)現(xiàn)了麥克斯韋的這項(xiàng)思維實(shí)驗(yàn)。(最近其他一些實(shí)驗(yàn)也實(shí)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(jī)器,而非控制氣體單向通過(guò)的大門(mén)。)我們利用麥克斯韋妖,將原子溫度降到了0.000015 K。

接下來(lái)我們會(huì)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(diǎn)是正確的——信息確實(shí)在其中起到了關(guān)鍵作用。

為了實(shí)現(xiàn)單向門(mén),我推測(cè),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(lán)色和紅色來(lái)稱呼這兩種狀態(tài)。這些原子懸浮在一個(gè)容器中,一束激光將容器分隔成兩個(gè)區(qū)域。這束激光的波長(zhǎng)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(shí)際作用就相當(dāng)于一扇關(guān)閉的大門(mén)。一開(kāi)始,所有原子都是藍(lán)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(guò)調(diào)制,讓原子與單個(gè)光子發(fā)生散射之后由藍(lán)變紅。現(xiàn)在,這個(gè)紅色原子會(huì)被激光屏障阻擋,因此無(wú)法再穿過(guò)大門(mén)回到容器左側(cè)。最終,所有原子都會(huì)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(mén)。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(gè)原子都需要許多個(gè)光子。

我后來(lái)得知,幾乎與此同時(shí),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(guó)漢諾威萊布尼茲大學(xué))合作,也獨(dú)立發(fā)展出了類似的概念。從那時(shí)以來(lái),我和穆加、魯施豪普特已經(jīng)對(duì)這道單向門(mén)進(jìn)行了一些理論分析。我們?cè)?006 年合作發(fā)表的一篇論文中指出,一個(gè)原子與一個(gè)光子發(fā)生散射時(shí),這個(gè)光子就會(huì)帶走這個(gè)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(gè)光子原本屬于一個(gè)有序的光子流(激光束),散射后卻沿隨機(jī)方向射出。如此一來(lái),光子就變得更加無(wú)序了。我們的計(jì)算表明,這一過(guò)程導(dǎo)致的光子的熵的增加,與原子受到單向門(mén)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(shí)遵循著萊奧·西拉德在1929年預(yù)見(jiàn)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(jiǎn)潔有效:一束激光通過(guò)散射單個(gè)光子便導(dǎo)致了一個(gè)不可逆過(guò)程。這樣一只妖精既不是智慧的精靈,也不是超級(jí)電腦,不需要收集這些原子的信息來(lái)決定門(mén)的開(kāi)關(guān)。對(duì)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(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也有用武之地。

對(duì)原子和分子運(yùn)動(dòng)的控制,開(kāi)辟了一個(gè)新的科學(xué)方向?；瘜W(xué)家一直夢(mèng)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(duì)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(lái)說(shuō),這是一種有效的補(bǔ)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(kāi)始占上風(fēng)。比方說(shuō),分子會(huì)延展成物質(zhì)波,能夠在比通常遠(yuǎn)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(dòng)能來(lái)添一把火。目前已有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一方向展開(kāi)研究。

單光子冷卻的另一大優(yōu)勢(shì)是,它能冷卻氫和氫的同位素——原子核中包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氘(deuterium),以及包含一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氚(tritium)。20 世紀(jì)90 年代末,美國(guó)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(guò)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(jìn)一步突破,關(guān)鍵在于要找到新的方法,用更為簡(jiǎn)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(biāo)之一是要進(jìn)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(gè)重要應(yīng)用。

捕獲和冷卻氚原子或許有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)中微子(neutron)質(zhì)量的測(cè)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(duì)宇宙演化所起的作用。氚是放射性原子,會(huì)衰變成氦3——在這一過(guò)程中,氚包含的兩個(gè)中子中有一個(gè)衰變成了一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子(antineutrino,中微子的反粒子)。通過(guò)測(cè)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(gè)輕易穿透設(shè)備而沒(méi)有被檢測(cè)到的反中微子帶走了多少能量,從而確定這個(gè)粒子的質(zhì)量。物理學(xué)家預(yù)計(jì),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(duì)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(lái),它極難操控,因?yàn)橹灰c物質(zhì)發(fā)生接觸,反物質(zhì)都會(huì)瞬間湮滅成能量。在這種情況下,超音速氣流法不能用來(lái)對(duì)反氫原子進(jìn)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(lái)截停并冷卻這些原子。反氫原子實(shí)驗(yàn)將有能力解答這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題:反物質(zhì)會(huì)像物質(zhì)一樣下落嗎?換一種說(shuō)法,這個(gè)問(wèn)題就是:對(duì)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(shí)際應(yīng)用。目前,用來(lái)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(jì)劃中發(fā)明的一種叫做卡留管(calutron)的設(shè)備?？艄芾靡粋€(gè)電場(chǎng)來(lái)分離質(zhì)量略有差別的不同同位素,本質(zhì)上就像一個(gè)大型質(zhì)譜儀(spectrometer)?，F(xiàn)在唯一仍在運(yùn)行的卡留管項(xiàng)目位于俄羅斯,而且效率十分低下。與我們用來(lái)冷卻原子的麥克斯韋妖類似的概念,也可以用來(lái)分離一束原子流中的同位素,效率應(yīng)該會(huì)超過(guò)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(shí)又不會(huì)產(chǎn)生核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗趯?shí)際應(yīng)用中只能分離出非常少量的同位素。

搭建納米級(jí)結(jié)構(gòu)則是我們正在發(fā)掘的另一項(xiàng)附帶應(yīng)用。除了用磁場(chǎng)來(lái)減速原子之外,人們還能用磁場(chǎng)來(lái)聚焦原子束,就像用透鏡聚焦光線一樣,但聚焦精度可達(dá)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(jì)算機(jī)芯片制造業(yè)黃金標(biāo)準(zhǔn)——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(jiàn)的自上而下式工藝流程不同,這種通過(guò)自下而上的方式構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的能力,將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)我稱之為“原米科學(xué)”(atomoscience)的嶄新領(lǐng)域。

絕對(duì)零度這個(gè)終點(diǎn)站或許永遠(yuǎn)都無(wú)法抵達(dá),但沿途仍有無(wú)限風(fēng)光在靜候欣賞,有無(wú)限新知在等待收獲。

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