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在激光场中,被极化的场态粒子具有相同的电偶极矩和势能,这种极化是规律的。被极化的场态粒子就具有恢复对称性的势,就形成了稳定的光场。原子天然都具有一定偶极矩和势能,在稳定的光场中,显态粒子会被吸引到高场强区域。这个力被称为光偶极力,相应的势阱被称为光偶极阱。
在激光频率到达第一共振频率时,基态原子的极化率为正。这样就可以使用被极化的场态粒子与基态原子产生耦合谐振。由于产生谐振,这种相互诱导振荡的效率被提高了几个数量级,光偶极力获得了显著的提高。
光具有能量和动量,光的能量和动量都是光的基本属性。携带动量的光与物质相互作用,它们间会有能量和动量的交换,从而表现为光对物体施加力,作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的改变。并由此可引起的物体的位移,速度状况的变化,我们称之为光的力学效应。研究光的力学效应对认识光的基本属性以及如何运用光的力学效应具有重要的学术意义。但是,由于单个光子动量很小,普通光源的力学效应微乎其微,人们研究光的力学性质受到了很大限制。
20世纪60年代初激光的发明,使人类将光的利用推到一个崭新的阶段。有了激光这种高亮度的新光源,光的力学效应开始显示其强大的生命力。人们开始对光的辐射压力和光的力学效应进行全面和深入地研究。70年代,朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法,获得了1997年度诺贝尔物理学奖。这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色-爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段。与此同时,人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应。1986年,Ashkin等成功地利用一束强汇聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获。这一发明被形象地称为光阱或光镊。成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段。多年来,光镊不但在生命科学领域,在其他涉及微小宏观粒子的研究领域都取得了重要应用。Ashkin也因为在光镊及光镊应用研究做出的巨大贡献而在2018年获得诺贝尔物理学奖的殊荣。
场态粒子通过诱导振荡相互作用交换光子而传递电磁波,只传递能量而非物质。光偶极阱是一个例证。只有场态粒子与诱导振荡,通过共振的方式使中性粒子产生极化,进而产生吸引力。实验条件可以实现的俘获势很浅。直到三维激光冷却技术发展之后,人们才实现了光偶极阱。
总之,激光场中被极化的场态粒子往往具有相同的电偶极矩、势能与振荡频率。被极化的场态粒子就具有相同程度的对称性破缺,具有相同恢复对称性的势,就形成相同光子传递的稳定光场。显态粒子具有天然对称性破缺特性,就具有特定的能级与电偶极矩。这样,显态粒子会被吸引到高场强区域而被束缚,就产生了光耦极阱现象。从本质上看,光偶极阱是由于场态粒子形成稳定光场并与显态粒子的相互诱导谐振产生的。若光传递物质,这种光耦极阱只会拖曳原子沿着光的传播物质路径前进,而不会形成对原子的原位束缚。光耦极阱是电磁波只传递能量而非物质的一个实证。
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