一个很酷的新工具

考虑到激光以加热物体而闻名，“激光冷却”似乎在术语上自相矛盾。然而，聪明的科学家们已经想出了一种方法来利用这项技术达到前所未有的寒冷程度。

加州大学圣巴巴拉分校的物理学家最近成功地实现了镭离子的激光冷却，这是雄心勃勃的研究计划的第一步。镭是最重的碱土元素，也是柱中唯一没有激光冷却过的离子。研究人员的发现发表在《物理评论快报》杂志上。

“我认为，这一发现具有发现的潜力，也可以约束粒子物理标准模型之外的理论，”该研究的首席研究员、物理学助理教授安德鲁·贾维奇(Andrew Jayich)说。镭在量子信息科学、光学时钟和基础物理研究等多个领域显示出前景。

为了实现激光冷却，科学家们从一个带电的原子，一个被电场捕获的离子开始。想象一下，热原子在离子阱中弹跳，就像操场上的秋千在运动。在正确的时间推它一下，你会把它推得更高，或者，在这个类比中，加热原子。但是当秋千靠近你的时候，一个反方向的推力，实际上会使它变慢，从而使原子冷却。

原子所能达到的每一种能态都有相应的共振频率。科学家可以用调谐到特定频率的激光照射原子，使其转变成特定的状态。原子将吸收光并过渡到所需的状态。然后它会下降到一个较低的能量状态，释放出它自己的光子，带走原子的一些动量。这实际上减慢了原子的速度，一个慢原子转化成一个更冷的原子。

将激光调到略低于共振频率的位置，更有可能使原子在朝向光束的过程中受到推力，而不是远离光束。这是多普勒效应的结果，当原子向入射激光移动时，多普勒效应会将频率向上移动，就像消防车的警笛在接近时音调会更高一样。多亏了这种方法，科学家们再也不用加大挥杆的力度，而只是让它慢下来。

激光冷却和探测被困离子是一件棘手的事情，镭没有稳定的同位素，这一事实使得首次激光冷却对研究人员来说更具挑战性。由于这种元素具有放射性，他们最初只有10微克的放射性，他们担心在找到合适的参数来捕获和冷却离子之前，他们的样品就会耗尽。经过几周的搜寻，相机终于捕捉到了激光冷却的镭离子。这篇新论文代表了这个团队花了近两年的时间来建造离子捕获设备和完善他们的激光冷却技术。

更大的图景

很长一段时间以来，科学家们一直认为物理学是对称的——如果你把一个系统中所有粒子的电荷值或方向翻转过来，物理学也是对称的。他们还假设时间上的前进和后退是一样的。令人惊讶的是，实验表明这些关于对称性的基本假设并不正确。只有三种对称——电荷、宇称和时间——放在一起似乎总是成立的。也就是说，我们所知道的每一个物理过程都是一样的，如果你用左换右，用正换负，用未来换过去。

虽然物理学家已经发现了一些破坏基本粒子电荷宇称对称性的过程，但这些破坏还不足以解释一些长期存在的问题，比如为什么宇宙中物质多于反物质。

”理论超越标准模型通常添加新的cp对称违反来解释这些难题,”主要作者明宇说粉丝,Jayich实验室的博士生。”新的物理模型预测的对称违规也会影响原子,“和镭的重核原子尤其容易显示这些行为。这就是为什么团队花了这么多时间和精力来学习如何操作这个元素。

镭的原子核也有一个独特的形状，像一个梨，和一组由两个原子核组成的国家，它们之间只隔着少量的能量。Jayich解释说，这些特性使得镭比其他原子核对时间对称性破坏更为敏感，而时间对称性破坏是在任何原子或分子中都没有观察到的物理现象。一些尚未被发现的物理学——比如新粒子或相互作用——可能会混合这两种核状态。

Jayich怀疑镭将比目前使用的最好的系统对对称性破坏的敏感度提高1000倍。“镭就像一个用于新物理学的核放大器，”他说。

雄心勃勃的目标

该团队在激光冷却镭离子方面的初步成功为Jayich在未来几年打算进行的一系列令人印象深刻的实验和应用打开了大门。就技术而言，像镭这样的重原子不太容易被撞来撞去，从而使被困离子系统中的噪声降到最低。

现在团队必须实际测量这些状态。Jayich说:“镭离子的基本性质，比如寿命和分支比，这些原子物理学家认为是理所当然的，因为镭离子没有被激光冷却过，所以没有被测量出来。”“我们需要测量镭离子的基本性质，这样我们就可以建立先进的实验。我们希望在明年完成这些基本测量。”

该团队正计划用一种不同形式的镭进行一项新的实验，这种镭具有核自旋，将为物理学带来新的机遇。虽然镭-225的半衰期只有15天，但研究小组将使用一种巧妙的方法，利用放射性衰变为镭-225的钍同位素，不断补充它们的供应。钍同位素的半衰期为7300年，所以研究小组并不担心耗尽。另外，这两种元素很容易分离，确保样品中没有钍污染。

激光冷却镭也使原子进入分子内部成为可能。该小组计划在他们的离子阱中制造和研究氢氧化镭，这比简单地在试管中合成化合物要复杂得多。Jayich说，这将使人们对新物理的敏感度比原子系统提高1000倍。

时间会告诉我们。他补充说，该团队计划在这方面进行的实验，一旦投入使用，可能需要几年时间才能产生结果。

Jayich说:“镭的特殊之处在于，它是许多因素综合在一起的结果，它们共同为基础物理和光子量子技术提供了一个非常好的平台。”