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美国利用光学捕获系统检测到有史以来最小的力

导读: 有史以来最小的“力”被测到了!幸运的研究人员来自美国劳伦斯·伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校。

  有史以来最小的“力”被测到了!幸运的研究人员来自美国劳伦斯·伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校。他们用一组激光器和一个独特的光诱捕系统制造了一团超冷原子云,在其中测得相当于42幺牛顿(1幺牛顿=10-24牛顿)的力。

  爱因斯坦在“相对论”中预测引力波和时空涟漪的存在,如果想要证实这个预测,或者想确定牛顿在宏观范畴下提出的万有引力定律在微观世界适用到什么程度,就需要捕捉和测量这种几乎非常细微的力,以及它们的运动。

  美国物理学家丹·斯坦博·科恩在题为《光纤测量的“力”接近标准量子极限》的论文中宣布—“我们在高精细度的光学空腔中,对超冷原子云的质心运动施加外力,当外力与云团振荡频率达到共振时,取得了一种与理论预测相一致的力敏感度。”

  1200个原子组成的“钟摆”

  在超灵敏探测器的核心是机械振子,这是一个能将力转化为可衡量的机械运动的系统。将外力施加到振子上时,就像用一只蝙蝠击打一个钟摆。

  “我们测到的是最接近”标准量子极限“的力。之所以能够达到这种灵敏度,因为使用的机械振子仅由1200个原子组成。”科恩研究组成员和论文第一作者西尼·思瑞普勒说。

  在思瑞普勒和他的同事使用的实验装置中,机械振子的重要成分,是一种用光学方法能够困住铷原子并将其冷却到接近绝对零度的气。

  困住原子的光阱包括两个波长分别为860纳米和840纳米的驻波光场,可以分别对原子产生均等反向的轴向力。调制840纳米波长光场振幅时,质心运动会被诱导出来,其直接反应会被一束波长为780纳米的探测波测量出来。

  一般来讲,当力和运动的测量灵敏度达到量子水平,必然碰到一个叫做“海森堡不确定性原理”的屏障,该原理认为,测量本身会因“量子反作用”现象扰乱振子的工作状态。这个障碍被称为“标准量子极限”。

  思瑞普勒解释了实验中的关键环节,“我们将铷原子从所处环境中解耦出来并维护其冷却温度,接下来,困住原子的激光光束能够把它们与外部环境干扰隔离开来且不至于使它们变热,这足以使我们接近力灵敏度的极限”。

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