多年來，用激光冷卻二氧化硅玻璃被認為是不可能的。然而在2019年，研究人員首次證明了摻鐿二氧化硅玻璃的激光冷卻。但當時，冷卻效率非常低，玻璃只比室溫降低了0.7開爾文。最近發(fā)表在《Optica》上的一項研究，展示了通過激光誘導的反斯托克斯熒光技術，在摻雜鐿的二氧化硅中實現(xiàn)了67開爾文的顯著溫度降低。

傳統(tǒng)的光吸收過程涉及電子吸收能量躍遷至更高的能態(tài)，隨后通過發(fā)射低能量（長波長）的光子而弛豫。而反斯托克斯熒光顛覆了這一過程：特定波長的激光精確激發(fā)原子，使其在弛豫時釋放出更高能量（短波長）的光子。這一過程有效地從材料中抽走熱量，實現(xiàn)了材料的凈冷卻。這種現(xiàn)象不僅展示了光與物質(zhì)相互作用的獨特性，也為材料科學和光學冷卻技術帶來了新的理解和應用前景。

這項實驗的成功歸功于對材料的精心選擇和激光參數(shù)的優(yōu)化。摻鐿二氧化硅，通過在玻璃中摻入鐿離子，研究人員可以增強其與特定波長激光光的相互作用，這對冷卻過程至關重要，為利用反斯托克斯熒光提供了理想的平臺。當這些鐿離子被大約1032納米波長的激光照射時，它們會經(jīng)歷必要的能級躍遷，從而促進了冷卻過程。

實驗團隊不僅精確控制了激光的功率（大約100瓦）以精確泵浦鐿離子，還采用了先進的溫度測量技術來監(jiān)控冷卻效果。這些集中的努力導致了一個顯著的成果：激光成功地將摻鐿二氧化硅棒的溫度從室溫（約300K）下降了67開爾文，達到了約229 K的最終溫度。這一成就不僅超越了以往對類似材料進行激光冷卻的記錄，也為未來的研究和應用奠定了堅實的基礎。

這一成就的影響是巨大的，無需物理接觸即可使用激光光冷卻材料的能力，為高精度測量設備、前沿量子技術和先進光通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的可能性，其中熱穩(wěn)定性至關重要。

• 增強精密儀器： 通過冷卻激光器和探測器等關鍵部件，該技術有可能通過實現(xiàn)前所未有的靈敏度和穩(wěn)定性來徹底改變科學實驗。

• 量子技術： 激光冷卻在操縱量子比特方面起著至關重要的作用。這項研究為更高效和更無錯誤的量子計算機操作鋪平了道路。

• 優(yōu)化光纖： 冷卻光纖可以顯著降低信號損耗，導致更快、更可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。

此外，激光冷卻摻雜鐿的硅酸鹽的優(yōu)化過程為無振動冷卻開辟了新的可能性。這可能會在材料分析和醫(yī)學診斷中引起革命，特別是在冷凍顯微鏡和伽馬光譜學中，無接觸控制溫度是有益的。

雖然激光冷卻技術已經(jīng)取得了顯著的進步，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來的研究將集中在將冷卻過程應用于更大尺寸的物體上，并且努力延長冷卻效果的持續(xù)時間。此外，為了實現(xiàn)這項技術在更多領域的應用，開發(fā)出適用于不同類型材料的激光冷卻方法也至關重要。這些努力將進一步推動激光冷卻技術的發(fā)展，并擴大其在科學和工業(yè)中的應用前景。