巴塞尔大学的研究人员使用一种新技术，仅用激光就成功地将一层小薄膜冷却到接近绝对零度的温度。例如，这种极冷的薄膜可以应用于高灵敏度传感器。

先来看看绝对零度是什么？

要了解绝对零度的概念，我们首先得来了解下温度的概。物体温度的宏观表现就是冷、温、烫甚至灼烧与发红、甚至发光，这是物体从冷到热的一个过程。那么温度的微观表现是什么，是什么原因导致了物体宏观温度的升高？

物体微观粒子的热运动的剧烈程度是宏观温度的内在表现。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高。

因此我们可以用一个模型将微观粒子的运动程度和温度联系起来，分子运动越剧烈，那么温度表现就越高，反之微观粒子运动逐渐趋向于静止，那么它的温度表现就越低！当微观粒子动能低到量子力学的最低点时，即达到绝对零度！

上图就是温度和粒子运动的模型曲线，为什么指向绝对零度（-273.15℃）的有一截是虚线？因为我们达不到，只能用虚线表示！

用什么手段可以达到或者接近绝对零度？

生活中有两种降温设备，一种是空调另一种是冰箱，这是我们日常必不可少两种家用电器，前者在夏天给了我们第二次生命，这得感谢威利斯开利，因为是这位大神发明了空调！后者则是我们日常保存食物的重要手段！但这两个都不能达到我们的要求，因为民用冰箱的最低温度最低只能达到-18℃，距离绝对零度差的远了！

1、介质冷却

实验用的超低温冰箱，可以达到-40℃，甚至-80℃，或者液氮冷却能接近-196℃，或者液氦冷却能接近-268.9℃，再往下我们没有合适的媒介了，因为这种用蒸发方式降温的方式，介质的温度必须低于物体的温度，才能使物体的温度无限逼近介质的温度，但它不可能低于介质的温度，比如液氦温度是-268.9℃，那么液氦作为介质的设备不可能制造出低于-268.9℃的低温。那么我们制造接近绝对零度的方法就黔驴技穷了吗？当然不会，我们还有一种流氓的办法！

2、激光冷却

可能各位对激光的印象都是输出巨大能量不一样，激光也可以用来极端制冷，但却不是我们所谓的日常空调或者冰箱制冷方式，更准确的形容话是一种多普勒效应达到原子冷却技术！因为我们用介质蒸发的方式冷却只能逼近介质的温度，而我们找不到-273.15℃的介质，那么换一种方式，让微观粒子的运动接近或者到达静止，不是变相实现绝对零度了么？所以我们形容它是一种流氓办法！

激光制冷的原理：利用多普勒效应达到原子制冷的技术，即在激光传播方向与原子运动相反时候，由于多普勒效应，原子处观测激光频率会比实际频率略高（蓝移），此时控制射入的激光的频率，使其比原子共振频率略低，但因蓝移效应，刚好进入原子吸收光子而达到激发态，当原子从激发态回落基态时，所释放的能量比吸收要略大一些，这种能量“欺骗效应”会导致原子会损失能量！而光子的反向动量会抵消原子的运动，而释放光子则是随机的，因此原子的动量会进一步降低。

2018年5月21日，装载在轨道ATK Antares火箭上的天鹅座飞船搭载了冷原子物理实验室（CAL）从美国宇航局瓦洛普斯基地发射升空。计划在微重力环境下展开冷原子云实验，这是美国喷气推进实验室（JPL）设计制造的一个实验装置，利用的原理就是激光制冷，目标是制造出有史以来宇宙中最低的温度！

科学家用激光冷却小薄膜 接近绝对零度

早在400年前，德国天文学家约翰内斯·开普勒就提出了太阳帆的想法，可以让船只在宇宙中航行。他怀疑光被物体反射时会产生力。这个概念也使他能够解释为什么彗星的尾巴指向远离太阳的地方。

如今，科学家利用光的力量，除其他外，减慢和冷却原子和其他粒子。通常，人们需要一个复杂的设备来做到这一点。由Philipp Treutlein博士和Patrick Potts教授领导的巴塞尔大学(University of Basel)的研究小组，现在已经成功地利用激光将一层极薄的薄膜冷却到接近零下273.15摄氏度的绝对零度。他们最近在《物理评论X》杂志上发表了他们的研究结果。

无测量反馈

“我们的方法的特别之处在于，我们在不进行任何测量的情况下实现了这种冷却效果，”物理学家Maryse Ernzer说，他是博士生，也是该研究论文的第一作者。根据量子力学定律，反馈回路中通常需要的测量会导致量子态的变化，从而产生扰动。

为了避免这种情况，巴塞尔大学的科学家们开发了一种所谓的相干反馈回路，在这种回路中，激光既充当传感器，又充当阻尼器。通过这种方式，他们抑制并冷却了一层由大约半毫米大小的硝酸硅制成的膜的热振动。

在他们的实验中，研究人员将激光束射向薄膜，并将薄膜反射的光送入光纤电缆。在这个过程中，薄膜的振动引起反射光振荡相位的微小变化。然后，在振荡阶段中包含的膜的瞬时运动状态的信息被用于在适当的时刻用相同的激光在膜上施加适量的力，这是一个时间延迟。

“这有点像通过在适当的时候用脚短暂地接触地面来减慢挥杆的速度，”恩泽解释说。为了达到约100纳秒的最佳延迟，研究人员使用了30米长的光纤电缆。

接近绝对零度

Manel Bosch Aguilera博士表示，Potts教授和他的合作者对新技术进行了理论描述，并计算了我们可以预期达到最低温度的设置，这一点随后得到了实验的证实。他和他的同事们能够将薄膜冷却到480微开尔文——比绝对零度温度高出不到千分之一度。

下一步，研究人员希望改进他们的实验，使膜达到尽可能低的温度——即膜振荡的量子力学基态。之后，还应该可以创建所谓的膜的挤压状态。这种状态对于构建传感器来说尤其令人感兴趣，因为它们可以实现更高的测量精度。此类传感器的可能应用包括原子力显微镜，用于以纳米分辨率扫描表面。

文章来源： 量子梦，科学头条，星辰大海路上的种花家