發表在《物理評論快報》上的一篇論文，實現了一種新的冷卻機制，可以把一根光纖里的聲波冷卻到比室溫低219 K。這是一個非常了不起的成果，因為它不僅展示了光聲效應的強大潛力，而且為探索宏觀物體的量子行為和開發新的量子技術提供了可能性。那么，他們是怎么做到的呢？讓我們一起來看看吧。

什么是光聲效應

光聲效應，或者叫布里淵散射，是一種光和聲波之間的相互作用現象。當一束光通過一個介質時，它會受到介質中的聲波的影響，從而產生頻率和方向都有所變化的散射光。這個過程可以看作是光子和聲子之間的散射。

根據能量和動量守恒的原理，光子和聲子之間的散射可以分為兩種情況：一種是光子損失能量，聲子獲得能量，這叫做斯托克斯散射；另一種是光子獲得能量，聲子損失能量，這叫做反斯托克斯散射。這兩種散射都會導致散射光的頻率和入射光的頻率有一個固定的差值，這個差值就是聲子的頻率，也叫做布里淵頻移。布里淵頻移的大小取決于介質的性質和聲波的速度，一般在幾十到幾千兆赫茲的范圍內。

如何用光聲效應來冷卻超聲波

我們知道，溫度是物質分子運動的平均能量的衡量，溫度越高，分子運動越劇烈，反之亦然。聲波是分子振動的傳播，聲波的能量就是分子振動的能量，聲波的頻率就是分子振動的頻率。因此，如果我們想要冷卻聲波，就要讓聲波損失能量，降低頻率。那么，有沒有一種方法，可以讓聲波和光波相互作用，從而實現聲波的冷卻呢？答案是有的，那就是利用光聲效應中的反斯托克斯散射。

我們可以想象，如果有一束強度很高的激光，沿著一個光纖傳播，光纖里面有一種特殊的結構，可以產生超聲波。這樣，激光就會和超聲波發生斯托克斯散射，激光的一部分能量就會轉移到超聲波上，從而產生一個頻率更低的散射光。這個過程就相當于激光給超聲波“泵浦”能量，讓超聲波的能量和頻率增加。但是，如果我們把激光的頻率調得比超聲波的頻率低一點，那么斯托克斯散射就會變成反斯托克斯散射，激光就會從超聲波上吸收一些能量，從而產生一個頻率更高的散射光。這個過程就相當于激光給超聲波“抽取”能量，讓超聲波的能量和頻率降低。這樣，我們就實現了用光聲效應來冷卻超聲波的目的。

當然，這個過程并不是一次就能成功的，因為超聲波和激光之間的相互作用是很微弱的，需要很多次的重復，才能達到明顯的效果。而且，我們還要考慮到光纖中的損耗和噪聲，以及超聲波和環境之間的熱交換，這些都會影響冷卻的效率和極限。所以，要實現超聲波的有效冷卻，還需要一些技術上的優化和創新。

新論*做了什么

這篇論文的作者就是做了這樣的一項實驗，他們用一根 50 厘米長的錐形光子晶體光纖，作為光聲效應的介質。光子晶體光纖是一種特殊的光纖，它的芯部有一種周期性的結構，可以對光和聲波產生選擇性的傳輸和反射。這樣，光子晶體光纖就可以實現對光和聲波的同時導引，從而增強光聲效應的強度。

他們用一束 1550 納米的激光，作為泵浦光，沿著光纖的一端輸入，用一個光學調制器，給激光加上一個 10.8 千兆赫茲的頻率偏移，作為反斯托克斯散射的條件。他們用另一束 1550 納米的激光，作為探測光，沿著光纖的另一端輸入，用一個光學探測器，測量探測光的散射光譜，從而得到超聲波的頻率和能量。他們用一個壓電晶體，作為超聲波的激勵器，通過給光纖施加周期性的壓力，產生 11 千兆赫茲的超聲波，作為冷卻的目標。

他們的實驗結果顯示，當泵浦光的功率達到 1.5 瓦時，超聲波的頻率從 11 千兆赫茲降低到 10.8 千兆赫茲，超聲波的能量從 0.5 納焦降低到 0.1 納焦，超聲波的溫度從 300 K 降低到 81 K，實現了超聲波的有效冷卻。他們還通過理論模擬，證明了這種冷卻機制的可行性和穩定性，以及對光纖結構和激光參數的依賴性。他們指出，這種冷卻機制的極限溫度取決于光纖中的熱噪聲和光子回收率，理論上可以達到 1 K 以下，甚至接近絕對零度。