JILA研究人員制造最冷的分子量子氣體

JILA研究人員制造了一種長(zhǎng)壽命，記錄冷卻的分子氣體，這種氣體遵循量子力學(xué)的波動(dòng)模式，而不是普通經(jīng)典物理學(xué)的嚴(yán)格粒子性質(zhì)。這種氣體的產(chǎn)生增加了設(shè)計(jì)師化學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域進(jìn)步的可能性。

正如科學(xué)問(wèn)題的封面所述 ，該團(tuán)隊(duì)在低至50納洛希(nK)的溫度下產(chǎn)生了鉀 - 銣(KRb)分子的氣體。這是開爾文的50億分之一，或者僅僅是絕對(duì)零度以上的微弱，是理論上可能的最低溫度。分子處于最低可能的能量狀態(tài)，構(gòu)成所謂的簡(jiǎn)并費(fèi)米氣體。

在量子氣體中，所有分子的屬性都被限制在特定值或量化，如梯子上的梯級(jí)或音階上的音符。

將氣體冷卻到最低溫度可使研究人員最大程度地控制分子。所涉及的兩個(gè)原子屬于不同的類別：鉀是費(fèi)米子(具有奇數(shù)個(gè)亞原子組分，稱為質(zhì)子和中子)，銣?zhǔn)遣Ｉ?具有偶數(shù)個(gè)亞原子組分)。得到的分子具有費(fèi)米特征。

JILA由標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校共同運(yùn)營(yíng)。NIST的研究人員多年來(lái)一直致力于理解和控制超冷原子分子，這些分子比原子更復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儾粌H具有許多內(nèi)部能量水平，而且還能旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)。JILA團(tuán)隊(duì)10年前制造了他們的第一個(gè)分子氣體 。

“制造氣體的基本技術(shù)與我們之前使用過(guò)的技術(shù) 相同，但我們有一些新的技巧，例如顯著改善原子的冷卻，在最低能量狀態(tài)下創(chuàng)造更多的原子，”NIST / JILA吳燁研究員說(shuō)。“這樣可以提高轉(zhuǎn)換效率，從而獲得更多分子。”

JILA團(tuán)隊(duì)在250 nK時(shí)產(chǎn)生了100,000個(gè)分子，在50 nK時(shí)產(chǎn)生了多達(dá)25,000個(gè)分子。

在此之前，最冷的雙原子分子最多產(chǎn)生數(shù)萬(wàn)個(gè)，溫度不低于幾百納開爾文。他說(shuō)，JILA的最新氣體溫度記錄遠(yuǎn)低于量子效應(yīng)開始從經(jīng)典效應(yīng)中取代的水平(約三分之一)，并且這些分子持續(xù)幾秒鐘 - 顯著的長(zhǎng)壽。

新氣體是第一個(gè)變冷和密度足以使這些分子的物質(zhì)波長(zhǎng)于它們之間的距離，使它們彼此重疊以形成新的實(shí)體?？茖W(xué)家稱之為量子退化。(量子物質(zhì)可以表現(xiàn)為粒子或物質(zhì)波，即粒子位置概率的波形模式)。

量子簡(jiǎn)并還意味著鐵離子粒子之間的排斥力增加，這些粒子往往是孤立的，導(dǎo)致更少的化學(xué)反應(yīng)和更穩(wěn)定的氣體。Ye說(shuō)，這是第一個(gè)科學(xué)家觀察到集體量子效應(yīng)直接影響單個(gè)分子化學(xué)的實(shí)驗(yàn)。

“這是第一個(gè)體內(nèi)穩(wěn)定分子的量子簡(jiǎn)并氣體，化學(xué)反應(yīng)被抑制 - 這是沒(méi)有人預(yù)測(cè)到的結(jié)果，”Ye說(shuō)。

在該實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的分子稱為極性分子，因?yàn)樗鼈冊(cè)阢溤由暇哂姓姾刹⑶以阝浽由暇哂胸?fù)電荷。它們的相互作用隨方向而變化，可以用電場(chǎng)控制。與中性粒子相比，極性分子因此提供更多可調(diào)的，更強(qiáng)的相互作用和額外的控制“旋鈕”。

這些新的超低溫度將使研究人員能夠比較量子與經(jīng)典環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)，并研究電場(chǎng)如何影響極性相互作用。最終的實(shí)際好處可能包括新的化學(xué)過(guò)程，使用帶電分子作為量子位的量子計(jì)算的新方法，以及新的精密測(cè)量工具，如分子鐘。

制造分子的過(guò)程始于由激光束限制的非常冷的鉀和銣原子的氣體混合物。通過(guò)在原子上掃描精確調(diào)諧的磁場(chǎng)，科學(xué)家們創(chuàng)造了大的，弱結(jié)合的分子，其中包含每種類型的一個(gè)原子。Ye的同事，已故的Deborah Jin在她2003年世界上第一臺(tái)費(fèi)米冷凝物的演示中開創(chuàng)了這項(xiàng)技術(shù) 。

為了將這些相對(duì)蓬松的分子轉(zhuǎn)化為緊密結(jié)合的分子而不加熱氣體，科學(xué)家們使用兩種不同頻率的激光 - 每種激光在分子中產(chǎn)生不同的能量躍遷 - 將結(jié)合能轉(zhuǎn)換為光而不是熱。分子吸收近紅外激光并釋放紅光。在此過(guò)程中，90%的分子通過(guò)中間能態(tài)轉(zhuǎn)換為最低和最穩(wěn)定的能級(jí)。