Muss Laser feurig sein? Es ist super cool, wenn die Leute abkühlen

Autor: Li Wei (Institut für Plasmaphysik, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

——

Erinnern Sie sich an die Laserkanonen in Star Wars und den Superlaser des Todessterns, der ganze Planeten zerstören konnte? Erinnern Sie sich an die Phasenwaffen in Star Trek, mit denen Feinde augenblicklich verdampfen konnten? Und dann ist da noch Superman, der mit einem Paar Laseraugen geboren wurde, mit denen er Bösewichte verscheuchen kann.

Abbildung 1: Laserwaffen auf dem Poster von Star Wars: Das Erwachen der Macht

Abbildung 2 Superman mit Laseraugen (Quelle: Guokr.com)

Laser erscheinen in diesen Werken oft als mächtige Superwaffen und erfüllen fast alle die gleiche Funktion, nämlich das Erhitzen von Objekten. Aber was genau ist ein Laser? Wie unterscheidet es sich von normalem Licht? Können Laser nur zum Erhitzen von Dingen verwendet werden? Folgen Sie dem Unternehmen, um ein „Lichtjäger“ zu werden und die unendlichen Geheimnisse der Laserwelt zu entdecken~

Laser? Laser? Was genau ist es?

In unserem täglichen Leben hören wir nicht nur das Wort Laser, sondern manchmal auch das Wort Laser. Also, was genau sind sie? Was ist der Unterschied zwischen ihnen?

Wer sich damit nicht auskennt, versteht unter „Laser“ möglicherweise wörtlich die von Radium ausgesandten Strahlen und gerät so zu dem Missverständnis, dass „Laser“ gesundheitsschädlich sein kann. Tatsächlich hat Laser nichts mit Radium zu tun. Es ist die Transliteration des englischen Wortes LASER. Das Wort LASER setzt sich aus den Anfangsbuchstaben des englischen Wortes „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ zusammen, was so viel bedeutet wie „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“.

Was also ist „stimulierte Strahlungsemission“? Sie basiert auf einer Reihe brandneuer Theorien, die der große Wissenschaftler Einstein im Jahr 1917 vorgeschlagen hat. Diese Theorie besagt, dass in den Atomen, aus denen Materie besteht, unterschiedliche Anzahlen von Teilchen (Elektronen) vorhanden sind, die auf unterschiedlichen Energieniveaus verteilt sind. Wenn Teilchen mit hohem Energieniveau durch bestimmte Photonen angeregt werden, springen sie von einem hohen Energieniveau auf ein niedriges Energieniveau (Übergang). Zu diesem Zeitpunkt strahlen sie Licht mit den gleichen Eigenschaften ab wie das Licht, das sie angeregt hat, und unter bestimmten Bedingungen kann ein schwaches Licht ein starkes Licht anregen. Dies wird als „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ bezeichnet. In Hongkong, Macao und Taiwan spricht man bei durch Stimulation emittiertem Licht üblicherweise von einem Laser. Wir nennen es jedoch, wie von Herrn Qian Xuesen vorgeschlagen, Laser, was eine passendere Übersetzung ist. Laser und Lasern sind also dasselbe. (Wenn Sie mehr über die Geheimnisse des Lasers erfahren möchten, klicken Sie bitte auf: Akademiker spricht mit Ihnen über die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft des Lasers)

Beeinflusst durch einige Science-Fiction-Filme wissen wir alle, dass ein Laser eine Art Licht mit sehr starker Energie ist. Es hat eine thermische Wirkung. Ein gewöhnlicher Laserstift mit 300 mW kann Papier aus kurzer Entfernung entzünden. Krankenhäuser verwenden Laser zum Entfernen von Haaren und Sommersprossen und sogar zum Verschweißen der Netzhaut. Die in der Industrie verwendeten leistungsstarken Laser können harte Stahlplatten durchdringen. Sogar der härteste Stoff der Welt – Diamanten – kann mit Lasern geschnitten und poliert werden.

Abbildung 3: Laserschneidmaschine schneidet Stahlplatte (Quelle: Veer Gallery)

Diese Eigenschaft von Lasern wird von Wissenschaftlern zur Untersuchung der Kernfusion genutzt. Wissenschaftler schießen mit mehreren Strahlen starker Laser gleichzeitig auf einen mit Deuterium und Tritium gefüllten Brennstoffkern. Unter der Einwirkung so vieler Laserstrahlen kann die Temperatur des Brennstoffkerns 100 Millionen Grad Celsius überschreiten, was fünf- bis sechsmal höher ist als die Temperatur im Zentrum der Sonne. Dies ist die höchste von Menschen verursachte Temperatur auf der Welt. Der Druck auf den Brennstoffkern beträgt das 100-Milliarden-fache des Drucks der Erdatmosphäre. Der Brennstoffkern wird gezündet und Deuterium und Tritium durchlaufen eine Kernfusionsreaktion, bei der enorme Energie freigesetzt wird.

Wir können sehen, dass alle oben genannten Anwendungen die Eigenschaften der hohen Helligkeit und der hochkonzentrierten Energie von Lasern nutzen. Aber wussten Sie, dass ein solcher „heißer“ Laser auch Atome auf extrem niedrige Temperaturen abkühlen kann? Das klingt so unglaublich und kontraintuitiv.

Laser haben einen Trick, um Atome einzufrieren

OK, bevor wir erklären, wie Laserkühlung funktioniert, müssen wir zunächst wissen, was „heiß“ bedeutet.

Stellen Sie sich vor, Sie nehmen im Badezimmer eine angenehme heiße Dusche mit einem Duschkopf und es ertönt ein „Plopp“-Geräusch. Ein Tropfen kaltes Wasser an der Badezimmerdecke kann der Schwerkraft der Erde nicht standhalten und fällt auf Sie, was Sie stark stimuliert. Man fragt sich unweigerlich, warum diese Wassertropfen nicht so heiß sind wie das Wasser, das aus dem Duschkopf spritzt? Was ist die Essenz von „Wärme“? Diese Frage beschäftigt die Menschheit schon seit langer Zeit. Im 18. Jahrhundert n. Chr. gab ein Wissenschaftler namens Lomonossow schließlich die Antwort: Wärme ist eine Manifestation der Molekülbewegung innerhalb der Materie! Daher können wir davon ausgehen, dass sich die Wassermoleküle im heißen Wasser, das aus dem Duschkopf sprüht, schneller bewegen als die Wassermoleküle in den kleinen Wassertropfen an der Badezimmerdecke.

Abbildung 4 Wassertropfen im Badezimmer (Quelle: veer Gallery)

Nachdem wir die Natur der „Wärme“ eines Objekts verstanden haben, wissen wir auch, wie wir es „kühlen“ können. Solange wir die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle im Objekt verlangsamen, können wir unser Ziel erreichen.

Tatsächlich bewegen sich Atome und Moleküle in jedem Moment zufällig und mit hoher Geschwindigkeit, und wir möchten, dass sie langsamer werden. Das ist ganz einfach. Da sie nicht „bremsen“ können, können wir ihnen beim „Bremsen“ helfen. Wir müssen lediglich eine Kraft in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung auf sie ausüben. Aber sie sind zu klein, so klein, dass wir sie nicht mit unseren Fingern fangen und verlangsamen können, also müssen wir ein Paar „kleine Hände“ finden, die uns helfen, diesen Wunsch zu verwirklichen.

Wessen „kleine Hände“ können uns helfen?

Wissenschaftler dachten an „Licht“. Hä? Diese Idee scheint nicht zu funktionieren, denn es scheint, als würden die Wissenschaftler dem System Energie hinzufügen, um die Energie des Systems zu reduzieren, so als würden sie versuchen, eine Kerze mit einem Flammenwerfer auszublasen. Wird das funktionieren?

Abbildung 5: Ausblasen von Kerzen mit einem Flammenwerfer (Bildquelle: Eigenbau des Autors)

Natürlich ist es nützlich, denn Licht ist etwas Besonderes. Obwohl es keine Masse hat (die Ruhemasse eines Photons ist Null), hat es einen Impuls. Wenn eine große Anzahl von Photonen auf ein Objekt trifft, erzeugen sie eine Art Druck auf das Objekt. Dieser Druck wird als Lichtdruck bezeichnet und entsteht durch die Impulsübertragung von Photonen auf das Objekt. Sonnensegel nutzen den Lichtdruck als Antrieb. Der Schweif eines Kometen ist immer von der Sonne abgewandt und wird zusätzlich vom Lichtdruck der Sonne beeinflusst.

Daher ist die Nutzung des Lichtdrucks von Photonen zum Abbremsen der bewegten Atome eine praktikable Methode. Wenn sich ein Atom in eine Richtung bewegt und auf ein Photon trifft, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wird der Impuls des Photons auf das Atom übertragen und die Bewegung des Atoms verlangsamt sich. Dies ist der Schlüssel zur Laserkühlung.

Möglicherweise haben wir hier noch eine weitere Frage. Wird das Atom, wenn es langsamer wird, dann nicht weiterhin von mehr Photonen getroffen und in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt? Darüber hinaus ist die Bewegung der Atome zufällig. Wenn die Bewegungsrichtung von Atomen und Photonen gleich wäre, würden sich die Atome dann nicht schneller bewegen?

Diese Frage ist durchaus sinnvoll.

Da Atome nur Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren, achten die Wissenschaftler darauf, die Laserwellenlänge so einzustellen, dass sie knapp über der Absorptionswellenlänge der Atome liegt, wenn diese sich im Ruhezustand befinden. Auf diese Weise wird gemäß dem Dopplereffekt die Wellenlänge des Lichts komprimiert, wenn sich ein Atom auf ein Photon zubewegt. Wenn die Wellenlänge des Lichts so komprimiert wird, dass sie genau der Absorptionswellenlänge des Atoms entspricht, absorbiert das Atom das Photon und geht vom Grundzustand in den angeregten Zustand über. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Atoms wird langsamer und die kinetische Energie nimmt ab. Wenn das Atom anhält oder sich in die gleiche Richtung wie das Photon bewegt, absorbiert das Atom das Photon nicht.

Abbildung 6 Schematische Darstellung der eindimensionalen Dopplerkühlung (Bildquelle: Referenz [1])

Was macht es schon, wenn sich die Atome wie immer in alle möglichen Richtungen bewegen?

Dieses Problem lässt sich leicht lösen, wir können einfach weitere Laser in die andere Richtung hinzufügen. Wenn wir außerdem Laser oder Spiegel an der Ober- und Unterseite sowie an der Vorder- und Rückseite des Atoms hinzufügen, verfügen wir nun über sechs Laserrichtungen, um ein Atom zu verlangsamen, das sich in eine beliebige Kombination dieser sechs Richtungen bewegen kann.

Abbildung 7 Laser in sechs Richtungen werden zum Kühlen von Atomen verwendet (Bildquelle: https://www.newelectronics.co.uk/)

Wie kalt können wir also mit Laserkühlung werden?

Nun, Wissenschaftler haben die Temperatur im Labor einmal auf 0,5 nK gesenkt, was fast dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) entspricht. Allerdings können wir den absoluten Nullpunkt nie ganz erreichen, da Heisenbergs Unschärferelation besagt, dass wir niemals gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens kennen können. Daher können wir die Bewegung der Atome nie wirklich stoppen.

Die sehr niedrigen Temperaturen, die wir mit der Laserkühlung erreichen, wie etwa das Abkühlen von Objekten bis nahezu zum absoluten Nullpunkt, werden durch die Kühlung sehr kleiner Objekte erreicht.

Warum also betreiben wir so viel Aufwand für die Laserkühlung? Der ursprüngliche Grund bestand darin, dass wir, wenn wir verschiedene atomare Parameter genau messen wollen, die Atome am besten kühlen, um sie ruhig zu machen (dazu sind magnetooptische Fallen und andere Mittel erforderlich), sodass wir sie präzise kontrollieren und beobachten können. Nun gibt es noch einen weiteren Grund: Wenn wir das Quantenverhalten makroskopischer Objekte beobachten wollen, müssen diese extrem kalt gehalten werden.

Anwendungen der Laserkühlung

Die Laserkühlung wird in der wissenschaftlichen Forschung häufig eingesetzt. Es hilft Wissenschaftlern nicht nur, die Wellenlängen kohärenter Materiewellen zu beobachten, sondern eröffnet Wissenschaftlern auch neue Forschungsfenster in den Bereichen Präzisionsmessung, Quanteninformation usw.

Eine bodenständigere Anwendung dieser Technologie ist „Zeit“. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler die Tatsache ausgenutzt, dass die Übergangsenergieniveaus atomarer Hyperfeinstrukturen sehr stabile Übergangsfrequenzen aufweisen, um Atomuhren mit höherer Präzision als Kristalluhren zu entwickeln, mit einem Genauigkeitsfehler von 1 Sekunde/3 Millionen Jahren. Mithilfe der Laserkühlungstechnologie können Wissenschaftler die Bewegung von Cäsiumatomen verlangsamen und so eine kalte Atomuhr entwerfen, deren Genauigkeitsfehler auf 1 Sekunde/300 Millionen Jahre reduziert werden kann. Die weltweit erste kalte Weltraum-Atomuhr, die von der Tiangong-2 meines Landes transportiert wird, ist die genaueste Uhr der Welt. Es arbeitet mit dem die Erde umkreisenden Beidou-Satelliten zusammen und ermöglicht uns eine zentimetergenaue Navigation und Positionierung.

Abbildung 8: Kalte Weltraumatomuhr (entwickelt vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Foto aufgenommen von Zhao Kan)

Wenn wir mit Flugzeugen und Autos um die Welt reisen, die mit Lasern geschnitten und geschweißt werden und vom Beidou-Navigationssystem gesteuert werden, sollten wir nicht vergessen, dass die Laser dafür unverzichtbar sind.

Laser sind wirklich ein guter Helfer für Wissenschaftler. Es ist nicht nur heiß, sondern auch sehr COOL!

Verweise

[1] Zhuang Wei, Li Tianchu. Laserkühlung und Manipulation von Atomen: Prinzipien und Anwendungen[J]. Science and Technology Review, 2018, 36(05): 28-38.

[2] Wang Yuzhu, Xu Zhen. Laserkühlung und ihre Anwendung in Wissenschaft und Technik [J]. Fortschritte in der Physik, 2005(04):347-358.

[3] Ji Yang. Laserkühlung[J]. Physikunterricht, 2014, 36(10): 2-3.

[4]http://www.kepu.net.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr301.html

[5]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247484836&idx=1&sn=3d6c5accb9500f62942595820a2fe623&scene=38#wechat_redirect