光可以使物体温度降低或是冷冻吗?什么原理?有案例吗?

光可以使物体温度降低或是冷冻吗?什么原理?有案例吗?

知乎用户,御氘术九级

当然可以,激光制冷可是拿过诺贝尔物理学奖的成果,在低温物理领域应用十分广泛,可以将温度冷却至非常接近绝对 0 度的极低温度。

激光制冷概念图,图源:https://www.electrooptics.com/news/nasa-uses-laser-cooling-create-coldest-spot-universe

从微观上看,温度其实就是原子的运动激烈程度。

而激光制冷,其实就是利用多普勒效应,让光子有选择性的去反向撞击运动中的原子,降低其动能,从而实现制冷的效果。

如下图所示,我们先在左右两侧安置激光装置,让它们朝中间发射相同频率的激光光子。

如果此时中间有一个原子,并且它具有向左运动的速度。那么在这颗原子的眼里,左侧的光子会在多普勒效应下发生蓝移,频率上升;而右侧的光子则反过来发生红移,频率下降。

若一开始的光子的频率恰好略微低于原子的吸收频率(类似于光电效应,只有超出某个临界频率的光子,才能被原子吸收)。那么蓝移带来的频率上升,就可能使得左侧的光子超出这一临界值,从而被原子吸收。而右侧的红移光子,因为频率进一步降低,则更加不可能被吸收了。

换句话说,光子和原子只会迎头撞,没办法追尾。而迎头撞显然会降低原子的速度,从而带来制冷的效果。

1985 年,华人科学家朱棣文(Steven Chu)等人在 PRL 上发表了一篇论文[1],他们通过上述激光制冷的方法,成功的将温度降低到了 0.00024 K,朱棣文也因此分享了 1997 年的诺贝尔物理学奖。