原子最外层电子被激光泵到主量子数n很大的轨道,半径从约0.1纳米膨胀到几十纳米甚至微米。电子离核远,偶极矩大,长程相互作用强。一个原子进入里德堡态,会改附近原子能级,同一束激光在阻塞半径内没法再激发第二个。中性原子量子计算和量子模拟,靠的就是“一激发,周围闭嘴”。
两个里德堡原子放在微米距离,靠长程多极相互作用绑成里德堡宏观二聚体。它没有普通化学键,电子仍各自待在离子实附近,交换作用可忽略。它是已知最大中性同核双原子分子,键长微米级,振动态极浅,转动近似冻结。普通分子转动会把各向异性平均掉;它转动冻住,反而保留各向异性。寿命内可空间取向,电场可调。分子物理、原子运动控制、里德堡强作用被揉到一个平台。
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第一,宏观二聚体间相互作用各向异性。分子取向、相对方位不同,势能不同。第二,强度和范围与原子态里德堡作用相似,仍能到几微米。第三,计算出的分子间激发阻塞,与实验信号合理吻合。里德堡阻塞不只发生在原子间,也能发生在里德堡分子间。双原子、三原子、四原子贡献,根源都在原子里德堡态耦合。
中性原子量子计算和模拟中,里德堡阻塞是生成纠缠、模拟自旋模型、做量子门的基本资源。阻塞单元从原子升级为宏观二聚体,就多出分子自由度:取向、振动、电场响应、各向异性。未来可用光镊阵列排布宏观二聚体,研究分子版集体量子动力学:激发如何传播,阻塞如何形成,取向如何影响多体态。
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宏观二聚体还年轻:键能浅、寿命受里德堡态限制、制备探测难,分子间阻塞定量实验刚起步。但方向清楚:里德堡阻塞从原子走向分子,从单激发走向集体分子量子动力学。下一步,看谁先做出可编程宏观二聚体阵列。中国已站在牌桌上,关键环节不能缺席。
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