培训课件：激光制冷及扫描光学隧道显微术.pptVIP

2.2 原理与应用 : 光学扫描隧道显微镜(PSTM)是用光学探针探测样品表面附近被内全反射所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长。PSTM的原现和工作方式在许多方面和STM相似。STM利用电子隧道效应，而PSTM则是利用光子隧道效应。当界面两边物质的折射率满足一定条件时，一束内全反射光会导致界面的另一侧产生一个瞬衰场。其强度随离界面的距离成指数关系。将一光学探针调节到样品表面的瞬衰场内，入射光的一些光子会穿过界面和光学探针之间的势垒，即产生光子隧道效应。产生的光子经过光导纤维传到光电倍增管并转换成电信号。至此以后，STM的工作情况与STM相同。 五、总结 光子扫描隧道显微镜，样品近场结构特征或物理特征的细微变化，引起的的隐失场的波动，利用PSTM探测这种变化，进而进行进一步的研究。由此可以看出，凡是涉及样品表面细微变化如距离、折射率、发射率、干涉与衍射等等，都可以考虑应用PSTM的手段来研究。 * * 激光制冷及扫描光学隧道显微术 1 激光制冷与俘获原子 2 扫描光学隧道显微术 在气态或孤立的状态时，即使是在室温下，原子运动的速度也在几百米每秒的数量级，要想观察研究原子是不可能的，因此，控制和操纵原子就成了物理学家追求的目标。 在热学中大家已经知道通过降低温度，可以使处于气体状态的分子或原子的速率减小。但是随着温度的进一步降低，它们就会转变成为液体或固体，由于原子之间的相互作用，呈现在观察者面前的已不再是单个孤立的原子，也就失去了观察的意义。但是，在真空环境下对分子或原子进行冷却，就可以避免它们凝聚。 1 激光制冷与俘获原子 美籍华裔物理科学家朱棣文和法国的科恩.塔偌季、美国的菲利普斯等科学家先后发明了用激光冷冻和俘获原子的方法，实现了对原子的观察和操纵，他们三人也因为在这一研究领域的杰出贡献分获1997年的诺贝尔物理学奖。 理论计算表明，只有温度降低到接近绝对零度时，原子的速率才会大大的降低，而当温度降低到 K时，孤立的氢原子的运动速率将降低到小于25cm/s的数量级。在这样地的速率下就可以实现对原子的观察和操纵，但是如此低的温度如何实现呢？ 激光是如何冷冻和俘获原子的呢?按照量子理论，一束激光就是一束光子流，光子虽然没有静止质量，但有动量，当光子碰撞（照射）原子时，可以将动量转移给原子，从而改变原子的动量。从能量的角度讲就是原子会吸收了光子从而减小动量。要使原子吸收光子，光子必须有恰好的频率（颜色），使之和碰撞的原子的能级结构相吻合。当满足频率条件的激光碰撞（照射）原子时原子会吸收迎面而来的光子而减小动量，同时原子向高能态跃迁。处于高能态的原子又会因自发辐射而发射光子，但这样发射的光子的传播方向是四面八方等概率的，不会对原子的动量造成实质的影响。 因此，当一特定频率的激光照射原子时，原子就会在和光子的一次次碰撞中减少动量，从而达到激光束的方向上的速度降低。事实上原子一秒钟就可以吸收、发射上千万个光子，从而可以有效的减小速率，从热学的角度说，就是将原子冷冻起来，但是，原子是在三维空间运动着，用一束激光照射显然是不够的。 1995年朱棣文和他的同事们在美国新泽西州的实验室里，用在三个正交方向的六束激光成功的将原子的速度减了下来。他们采用的技术如后图，先用一束激光使迎面而来的钠原子的速度降下来，之后将钠原子引入六束激光的交汇处。 六束正交激光时原子冷却 激光使原子速度降低 光速注入原子 对于这六束激光频率的选择，除了要考虑被冷冻原子的能级结构以外，还必须考虑到入射光子对运动原子的多普勒效应，所以这六束激光都比静止钠原子吸收的光子的颜色略有些红移。这样不论钠原子向何方运动，都会遇到具有恰当能量的光子。并被推回到六束激光的交汇处。所以这种减速就称为多普勒冷却。多普勒冷却原子的效果向相当于10万倍的重力加速度作用于原子上，就好像掉进了非常粘稠的液体中。可以想象得出对原子的减速效果时非常明显的。朱棣文和他的同事们用这种方法成功的将大量的钠原子冷却下来并聚集在六束激光交汇的小区域内，形成用肉眼可以观察到的豌豆大小的发光气团，实现了“玻色—爱因斯坦凝聚”—— 一种宏观量子现象 更有效的冷却和俘陷原子的方法是利用“磁井”等原子井，使原子在这种势井中处于最低能态。如图所示，利用两个尺寸相同的平行线圈，通以方向相反的电流，就可以 产生一个中心区域磁场为零，但周围磁场不断增强的“磁井”区。由于原子具有磁矩，一旦陷入“磁井”中，就会像是只能在最小的区域----“磁井”中心运动。 即使原子偏离“磁井”中心，不均匀磁场的磁力作用将使其返回中心。将六束激光和磁井合并起来，就