2月** 动态激励计划
发表在《物理评论快报》上的一篇文章**实现了一种新的冷却机制，可以将光纤中的声波冷却到室温以下219 K。 这是一项非常了不起的成就，因为它不仅展示了光声效应的强大潜力，而且为探索宏观物体的量子行为和开发新的量子技术开辟了可能性。 那么，他们是怎么做到的呢？ 让我们来看看。
光声效应或布里渊散射是光波和声波之间的相互作用现象。 当一束光穿过介质时，它会受到介质中声波的影响，从而产生频率和方向变化的散射光。 这个过程可以看作是光子和声子之间的散射。
根据能量和动量守恒定律，光子和声子之间的散射可以分为两种情况：一种是光子失去能量，声子获得能量，称为斯托克斯散射; 另一种是当光子获得能量而声子失去能量时，这称为反斯托克斯散射。 这两种散射都导致散射光的频率和入射光的频率之间存在固定的差值，这种差值就是声子的频率，也称为布里渊位移。 布里渊频移的大小取决于介质的性质和声波的速度，通常在几十到几千兆赫兹的范围内。
我们知道，温度是物质分子运动平均能量的量度，温度越高，分子运动越强烈，反之亦然。 声波是分子振动的传播，声波的能量是分子振动的能量，声波的频率是分子振动的频率。 因此，如果我们想冷却声波，就需要使声波失去能量并降低频率。 那么，有没有办法让声波和光波相互作用，实现声波冷却呢？ 答案是肯定的，那就是在光声效应中使用反斯托克斯散射。
我们可以想象，如果有一束强度非常高的激光束，沿着光纤传播，光纤内部有一种特殊的结构，可以产生超声波。 这样，激光就会被斯托克斯用超声波散射，激光的一部分能量会转移到超声波上，从而产生频率较低的散射光。 这个过程相当于将激光“泵浦”能量输送到超声波上，使超声波的能量和频率增加。 但是，如果我们将激光的频率调整到比超声波的频率低一点，那么斯托克斯散射就会变成反斯托克斯散射，激光会从超声波中吸收一些能量，从而产生更高频率的散射光。 这个过程相当于激光从超声波中“提取”能量，降低了超声波的能量和频率。 通过这种方式，我们实现了具有光声效应的超声波冷却目标。
当然，这个过程不是一次性的成功，因为超声波和激光之间的相互作用非常微弱，需要多次重复才能达到明显的效果。 而且我们还需要考虑光纤中的损耗和噪声，以及超声波与环境之间的热交换，这些都会影响冷却的效率和极限。 因此，为了实现有效的超声波冷却，还需要进行一些技术优化和创新。
本文的作者做了这样一个实验，使用50厘米长的锥形光子晶体光纤作为光声效应的介质。 光子晶体光纤是一种特殊类型的光纤，其纤芯具有周期性结构，可选择性地传输和反射光和声波。 这样，光子晶体光纤可以同时被引导到光波和声波上，从而增强了光声效应的强度。
他们使用1550纳米激光器，用作泵浦光，沿着光纤的一端，并使用光调制器，在激光器上添加了108 GHz 频率偏移作为抗斯托克斯散射的条件。 他们使用另一束1550纳米激光作为检测光，沿着光纤的另一端输入，并使用光学探测器测量检测光的散射光谱，从而获得超声波的频率和能量。 他们使用压电晶体作为超声波的激励器，通过对光纤施加周期性压力来产生11千兆赫兹的超声波，光纤作为冷却目标。
他们的实验结果表明，当泵浦光的功率达到1在 5 瓦时时，超声波的频率从 11 GHz 降低到 10 GHz8 GHz，超声波能量从 05 纳焦耳降低到 01纳焦耳，超声波的温度从300 K降低到81 K，从而能够有效冷却超声波。 他们还通过理论模拟证明了这种冷却机制的可行性和稳定性，以及对光纤结构和激光参数的依赖性。 他们指出，这种冷却机制的极端温度取决于光纤中的热噪声和光子速率，理论上可以达到1K以下甚至接近绝对零度。