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量子物理里程碑:华人科学家制备首个分子BEC

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  近日,华人物理学家在量子物理领域取得了重大突破。来自芝加哥大学与山西大学的研究人员,首次通过原子玻色-爱因斯坦凝聚体产生了具有固有角动量的分子玻色-爱因斯坦凝聚体。在这种方法下,数千个分子共享同一个量子态,步履一致地翩翩起舞。该成果突破了学界攻坚数十年的技术难题,具有巨大的基础应用价值,有科学家将其称誉为“量子工程的绘图纸”。

  

  论文于2021年4月28日发表在nature上,通讯作者为芝加哥大学金政教授;第一单位为芝加哥大学,第二单位为山西大学;

  玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein Condensation,BEC)是爱因斯坦在1924年预言的一种物质形态,是一种十分神奇的物态。BEC要求在理想气体中将玻色所提出的光子量子统计规律推广到原子层面,且只发生在全同玻色子之中。所谓"全同"不仅指这些玻色子的内禀属性一样(如具有相同质量,相同数量的电荷等),它还要求原子内部的能态也一样。当温度十分低、每个粒子的德布罗意波长足够长的时候,这些粒子的物质波分布会发生重叠,粒子会开始“彼此不分”。因此,处在BEC状态的原子云,其每个原子都将按照相同的方式同步运动,因此可将它们视作一个巨大的单一原子,用同一个波函数来描述其状态,这就是所谓的共享同一量子态

  在历史上,科学家们首先通过稀薄碱金属气体实现了爱因斯坦的这一推论,在原子层面制备出了BEC。但是,由于分子具有复杂的转动自由度和丰富的内部结构,制备分子BEC难度要大得多。目前制备分子BEC的思路有二:一是采用激光冷却技术冷却分子,但这需要设置比制备原子BEC时更复杂的冷却光束,而且分子更多的能级结构也带来了更多的损耗通道,因此对分子稳定性提出了较高的要求。科学家们已经沿着这一思路进行了许多巧妙的尝试。

  

  金政教授

  另一条思路是利用超冷原子配对形成超冷分子,这需要运用Feshbach共振技术。原子态和分子态通常有不同的能量,利用磁场和磁矩的相互作用可以移动它们的能级。当磁场调节到特定的强度(称为共振点)时,原子态与分子态能量相同,可以发生显著的耦合,从而使一部分原子转化为分子。

  本次研究采取的是第二种思路。研究人员首先制备了准二维的原子BEC,其温度为10纳开(仅比绝对零度高一亿分之一度),然后令扫描磁场强度经过19.87高斯这一Feshbach共振点,在该过程中约有15%的原子形成了分子(数量约6000个)。势阱的几何形状和低温有效减少了非弹性损失,是分子BEC成功制备的关键因素之一。金政教授还设计了一些方法增加这些分子BEC的稳定性:“分子通常会向各个方向移动,如果放任不管,其稳定性就会很低。因此我们限制了分子,令其处于一个二维平面,只能朝两个方向运动。” 该研究最终首次实现了原子BEC向分子BEC的转化,这些得到的分子行动几乎完全一致,秩序井然。

  

  分子BEC的图像

  这组行动“整齐划一”的分子,令金政教授十分兴奋,他表示他在学生时代就以此作为目标。更有科学家称誉分子BEC就类似于量子工程的绘图纸,其基础应用价值不言而喻。金政教授说:“这是一个理想的起点。比如,假设你要构建存储信息的量子系统,那么在订制、记录信息之前,首先需要的是一个干净的书写平台。”

  分子BEC的背景与前景

  超冷原子分子物理成为物理热门已有几十年。1986年,朱棣文与William D. Phillips成功捕捉、冷却中性原子,为原子物理开启了新的纪元。这项成就与Claude Cohen-Tannoudji作出的理论贡献一起,被授予了1997年的诺贝尔物理奖。1995年,科学家将具有玻色子性质的原子进一步冷却,首次观察到了原子玻色-爱因斯坦凝聚体。这是一项里程碑式的发现,主导该实验的Eric A. Cornell、Carl E. Wieman与Wolfgang Ketterle则因此获得了2001年的诺贝尔物理奖。五年之间摘获两项诺贝尔奖,这样的成绩已足以令超冷原子分子物理在学界站稳脚跟。

  几十年来,超冷原子技术已经取得了长足发展。由于冷原子体系没有杂质和缺陷的特性及其非常灵活的调控能力,过去十几年,冷原子量子模拟、量子信息等方向已经取得了巨大的成功,特别是冷原子和光晶格的完美结合,大大地加深了人们们对量子强相互作用体系的理解。物理学家甚至在空间站和火箭上产生BEC;把BEC放进光学晶格,模拟晶体的性质;用BEC模拟宇宙学现象和弯曲时空的物理。

  但是,原子间的相互作用通常是很弱且短程的范德华作用,这些特性带来了一些限制, 很多凝聚态体系中非常重要的问题,目前在超冷原子体系中还很难实现。这正是一些科学家们不再满足于超冷原子,转而向分子层面的分子量子气体(Molecular quantum gases)发起挑战的原因。

  相较原子,分子拥有较原子更丰富的内部能级构型,在很多领域的应用前景都非常广阔。首先,对于分子的实验研究可以扩展对于量子体系的操控和精密测量,利用其丰富的内部结构,可以检验诸如基本常数对称性和宇称标准模型的各种扩展等很基本的物理问题;再则,极性分子气体能够提供一类新的量子多体系统,它具有很强的各向异性的偶极相互作用,并且可以很容易地通过外电场来调节相互作用;第三,简并分子气体还使得研究极低温的化学反应成为可能。

  概括而言,传统研究领域如光频标、量子信息、物质波干涉仪和量子简并特性等,新的研究方向如分子间的可控相互作用、电场诱导的电偶极距、手性分子光谱和超冷化学等,都是分子量子气体的用武之地。而本次研究成果无疑带有敲门砖的性质,为后续研究给予启发。我们能够看到,华人物理学家朱棣文曾经在该领域作出巨大贡献,并得到了诺奖的肯定;而今天,华人科学家再度凭借卓越智慧,为世界科学发展锦上添花。

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