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壽命，記錄冷卻的分子氣體，這種氣體遵循量子力學的波動模式，而不是普通經(jīng)典物理學的嚴格粒子性質(zhì)。這種氣體的產(chǎn)生增加了設(shè)計師化學和量子計算等領(lǐng)域進步的可能性。

正如科學問題的封面所述 ，該團隊在低至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)成所謂的簡并費米氣體。

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。所涉及的兩個原子屬于不同的類別：鉀是費米子(具有奇數(shù)個亞原子組分，稱為質(zhì)子和中子)，銣是玻色子(具有偶數(shù)個亞原子組分)。得到的分子具有費米特征。

JILA由標準與技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校共同運營。NIST的研究人員多年來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雜，因為它們不僅具有許多內(nèi)部能量水平，而且還能旋轉(zhuǎn)和振動。JILA團隊10年前制造了他們的第一個分子氣體 。

“制造氣體的基本技術(shù)與我們之前使用過的技術(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。“這樣可以提高轉(zhuǎn)換效率，從而獲得更多分子。”

JILA團隊在250 nK時產(chǎn)生了100,000個分子，在50 nK時產(chǎn)生了多達25,000個分子。

在此之前，最冷的雙原子分子最多產(chǎn)生數(shù)萬個，溫度不低于幾百納開爾文。他說，JILA的最新氣體溫度記錄遠低于量子效應(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 - 顯著的長壽。

新氣體是第一個變冷和密度足以使這些分子的物質(zhì)波長于它們之間的距離，使它們彼此重疊以形成新的實體?？茖W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，導致更少的化學反應(yīng)和更穩(wěn)定的氣體。Ye說，這是第一個科學家觀察到集體量子效應(yīng)直接影響單個分子化學的實驗。

“這是第一個體內(nèi)穩(wěn)定分子的量子簡并氣體，化學反應(yīng)被抑制 - 這是沒有人預(yù)測到的結(jié)果，”Ye說。

在該實驗中產(chǎn)生的分子稱為極性分子，因為它們在銣原子上具有正電荷并且在鉀原子上具有負電荷。它們的相互作用隨方向而變化，可以用電場控制。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)境中的化學反應(yīng)，并研究電場如何影響極性相互作用。最終的實際好處可能包括新的化學過程，使用帶電分子作為量子位的量子計算的新方法，以及新的精密測量工具，如分子鐘。

制造分子的過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。通過在原子上掃描精確調(diào)諧的磁場，科學家們創(chuàng)造了大的，弱結(jié)合的分子，其中包含每種類型的一個原子。Ye的同事，已故的Deborah Jin在她2003年世界上第一臺費米冷凝物的演示中開創(chuàng)了這項技術(shù) 。

為了將這些相對蓬松的分子轉(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。在此過程中，90%的分子通過中間能態(tài)轉(zhuǎn)換為最低和最穩(wěn)定的能級。