2月** 動態激勵計畫
發表在《物理評論快報》上的一篇文章**實現了一種新的冷卻機制，可以將光纖中的聲波冷卻到室溫以下219 K。 這是一項非常了不起的成就，因為它不僅展示了光聲效應的強大潛力，而且為探索巨集觀物體的量子行為和開發新的量子技術開闢了可能性。 那麼，他們是怎麼做到的呢？ 讓我們來看看。
光聲效應或布里淵散射是光波和聲波之間的相互作用現象。 當一束光穿過介質時，它會受到介質中聲波的影響，從而產生頻率和方向變化的散射光。 這個過程可以看作是光子和聲子之間的散射。
根據能量和動量守恆定律，光子和聲子之間的散射可以分為兩種情況：一種是光子失去能量，聲子獲得能量，稱為斯托克斯散射; 另一種是當光子獲得能量而聲子失去能量時，這稱為反斯托克斯散射。 這兩種散射都導致散射光的頻率和入射光的頻率之間存在固定的差值，這種差值就是聲子的頻率，也稱為布里淵位移。 布里淵頻移的大小取決於介質的性質和聲波的速度，通常在幾十到幾千兆赫茲的範圍內。
我們知道，溫度是物質分子運動平均能量的量度，溫度越高，分子運動越強烈，反之亦然。 聲波是分子振動的傳播，聲波的能量是分子振動的能量，聲波的頻率是分子振動的頻率。 因此，如果我們想冷卻聲波，就需要使聲波失去能量並降低頻率。 那麼，有沒有辦法讓聲波和光波相互作用，實現聲波冷卻呢？ 答案是肯定的，那就是在光聲效應中使用反斯托克斯散射。
我們可以想象，如果有一束強度非常高的雷射束，沿著光纖傳播，光纖內部有一種特殊的結構，可以產生超聲波。 這樣，雷射就會被斯托克斯用超聲波散射，雷射的一部分能量會轉移到超聲波上，從而產生頻率較低的散射光。 這個過程相當於將雷射“幫浦浦”能量輸送到超聲波上，使超聲波的能量和頻率增加。 但是，如果我們將雷射的頻率調整到比超聲波的頻率低一點，那麼斯托克斯散射就會變成反斯托克斯散射，雷射會從超聲波中吸收一些能量，從而產生更高頻率的散射光。 這個過程相當於雷射從超聲波中“提取”能量，降低了超聲波的能量和頻率。 通過這種方式，我們實現了具有光聲效應的超聲波冷卻目標。
當然，這個過程不是一次性的成功，因為超聲波和雷射之間的相互作用非常微弱，需要多次重複才能達到明顯的效果。 而且我們還需要考慮光纖中的損耗和雜訊，以及超聲波與環境之間的熱交換，這些都會影響冷卻的效率和極限。 因此，為了實現有效的超聲波冷卻，還需要進行一些技術優化和創新。
本文的作者做了這樣乙個實驗，使用50厘公尺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型別的光纖，其纖芯具有週期性結構，可選擇性地傳輸和反射光和聲波。 這樣，光子晶體光纖可以同時被引導到光波和聲波上，從而增強了光聲效應的強度。
他們使用1550奈米雷射器，用作幫浦浦光，沿著光纖的一端，並使用光調製器，在雷射器上新增了108 GHz 頻率偏移作為抗斯托克斯散射的條件。 他們使用另一束1550奈米雷射作為檢測光，沿著光纖的另一端輸入，並使用光學探測器測量檢測光的散射光譜，從而獲得超聲波的頻率和能量。 他們使用壓電晶體作為超聲波的激勵器，通過對光纖施加週期性壓力來產生11千兆赫茲的超聲波，光纖作為冷卻目標。
他們的實驗結果表明，當幫浦浦光的功率達到1在 5 瓦時時，超聲波的頻率從 11 GHz 降低到 10 GHz8 GHz，超聲波能量從 05 納焦耳降低到 01納焦耳，超聲波的溫度從300 K降低到81 K，從而能夠有效冷卻超聲波。 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，以及對光纖結構和雷射引數的依賴性。 他們指出，這種冷卻機制的極端溫度取決於光纖中的熱雜訊和光子速率，理論上可以達到1K以下甚至接近絕對零度。