怎么才能冷下来?


最近北京经历了十几年难遇的寒潮袭击,据说过去的十天平均气温只有零下二度。我每天出行骑自行车都得全副武装,大衣,帽子,手套,一个都不能少。虽然我打心眼里希望北京的冬天能够暖和点,这样每天上下班也会好受些,可我最近每天研究的课题却还是冷却问题。我希望能够找到一个好办法,把实验室中的量子系统冷却到绝对零度附近,也就是零下273.15度附近。

这是一个什么概念呢?水是零度结冰,氮气的液化温度是零下195.8度,零下209.9度凝结;氧气零下183度液化,零下218度凝结。即使是氦4也会在零下268.9度液化。在零下273度附近,几乎所有的气体都被液化乃至固化了。通常冷却物理系统的办法就是把它放入液化了的氮或者氦容器中,这样环境温度就被强制冷却到气体的液化点附近了。可如果我们希望把系统冷却得更低,比如距离绝对零度不到一度,用这种办法就很难了。常用的办法是蒸发冷却,或者绝热冷却。我这里要讲一个主动的冷却机制,不需要把环境温度冷却到很低,只要我们能很好的隔离环境,就可以把系统冷却到绝对零度附近。

在物理学家看来,一个系统的温度可以由与之相互作用的热库的温度来表示。而热库的温度与其中的热辐射光子数成正比。如果我们考虑一个很好的孤立的光学系统,其能量一般在几个电子伏特附近,那么与之相互作用的热辐射光子频率也在几个电子伏特。通过简单的估算就可以发现,室温下的环境特征能量只有百分之一电子伏特。利用波色爱因斯坦公式,可以算出,平均热光子数是一个趋近于零的数值。所以说,即使是室温下,光学腔系统也是跟一个有效的真空耦合。如果可以找到某种办法把光学模式与低频率的模式耦合起来,通过光学模作为中介,让低频模式与这个有效的真空库耦合,那么就有可能降低低频模式的温度(热库的有效热光子数)。要实现趋近于绝对零度的冷却,就需要把低频模式的本征衰减降低到趋近于零。这样低频模式主要就是通过光场中介衰减到有效真空库中去了。我们很容易推出,即使在室温条件下,也可以用这个办法把低频的模式冷却到基态附近。利用了这个办法进行冷却的主要代表就是离子阱的边带冷却,以及最近很热门的光力学系统的边带冷却办法。

这个技术的不足在于,只能冷却一个模式。而实际系统的自由度是很大的,要想全部都冷却下来,还是只能用传统的液化气体办法。另外还有一个缺点是,利用这种冷却技术,会给想要冷却的孤立系统带来格外的耗散通道。实际上,在冷却时,系统的耗散远远大于没有加上冷却时的耗散速率。所以如果我们系统用这个系统来做一些量子信息操控,或者观察一些量子物理现象,最好还是在冷却之后关闭冷却系统,减小系统的耗散速率。

写到这里,我突然想到,如果我们把这个技术倒过来看,也就等价于用频率低的系统给频率高的系统进行加热,能不能用这个技术给每天上下班时让北京的寒风冻得满脸通红的我一点点温暖呢?

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