激光冷却反物质接近绝对零度

定制激光将反物质冷却到接近绝对零度。这项工作由欧洲核子研究中心（CERN）ALPHA合作的研究人员完成，这对反物质及其性质的研究以及宇宙的基础理论的研究具有重大意义。反物质在行为和特征方面与物质几乎相同，但它具有相反的电荷。当物质和反物质接触时，它们会互相毁灭。由于这个原因，有关实验一直都是困难重重。

在ALPHA磁阱中一个反氢原子的运动，在激光冷却之前（灰色）和之后（蓝色）。Chukman So, TRIUMF供图。

"反物质原子必须保存在极高度的真空中，以防止它们被残余气体消减，"TRIUMF科学家、激光冷却理念的最初支持者Makoto Fujiwara说。"我们通过用激光对反原子施加的力来操纵反物质而不是破坏反物质。"为了冷却反原子，研究人员不得不自己设计一个激光系统。

"由于我们不能使用任何传统的染料激光器，我们不得不使用非线性晶体（Ti：sapphire）从零开始设计激光系统，"不列颠哥伦比亚大学（niversity of British Columbia）研究员兼激光设计师Takamasa Momose告诉Photonics Media。Momose指出，在诸多制造激光的挑战中包括频率纯度和高功率要求。Momose说："从谐振频率精确控制失谐频率是精确操纵反原子的关键。"在反氢原子的情况下，频率纯度或激光线宽在121.6nm时必须小于50 MHz。为了保持线宽的窄度，该团队使用一种颜色的第三代谐波生成 121.6 nm，而不是使用两种颜色的四波混合，通常提供大约 100倍更大的强度，其线宽要宽得多。Momose说，使激光对齐也是具有挑战性的。研究人员构建了一个由几面镜子和窗户组成的光学传输系统，将激光脉冲引入低温室内的磁阱中，激光脉冲每脉冲大约为1 nJ。

冷却反物质使各种精密测试能够进一步研究反物质的特性。Momose说，"有了这项技术，我们可以解决长期存在的谜团，比如'反物质对重力的反应如何？反物质能帮助我们理解物理学中的对称性吗？这些答案可能从根本上改变我们对宇宙的理解。"为此，Momose和Fujiwara正领导一个名为HAICU的新项目，这个项目旨在开发新的量子技术，用于反物质研究。Fujiwara对Photonics Media说："我的下一个梦想是通过将反原子扔进自由空间来创造一个'反原子喷泉'，这反过来又允许反物质波的干涉测量。这些技术将利用新兴的量子技术，对反物质特性进行极其精确的测量。"

Momose 说："由于我们可以使用这种冷却技术增加反氢的密度，我们现在有机会创建第一个反物质分子（如 H2+）。制造第一个反物质分子是我主要的兴趣。" Momose还对反分子的光谱学表示了兴趣。他说，在调查基本物理问题时，这可能比反原子的光谱更敏感，例如违反电荷、宇称和时间对称性的情况。

这项研究发表在《Nature》(www.doi.org/10.1038/s41586-021-03289-6).