超冷原子量子环境如何构建（制造出最冷的分子量子气体）

博科园：本文为量子物理学类

美国天体物理学联合实验研究所（JILA）研究人员制造了一种寿命长、温度创纪录的分子气体，这种气体遵循量子力学的波型，而不是普通经典物理学中严格的粒子性质。这种气体的产生提高了在设计化学和量子计算等领域取得进展的可能性。在2月22日的《科学》期刊封面上，研究小组制造了一种钾铷(KRb)分子气体，其温度可低至50纳米埃尔文(nK)。这是开尔文的50亿分之一，或者略高于绝对零度，理论上可能的最低温度。这些分子处于可能的最低能量状态，构成了所谓的简并费米气体。

博科园-科学科普：在量子气体中，所有分子的性质都被限制在特定数值或量子化，就像梯子上的梯级或音阶上的音符。将气体冷却到最低温度可以让研究人员最大限度地控制分子。所涉及的两个原子属于不同类别：钾是一种费米子(具有奇数亚原子组成的质子和中子)，铷是一种玻色子(具有偶数亚原子组成的玻色子)。得到的分子具有费米特征。美国天体物理学联合实验研究所（JILA）由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。美国国家标准与技术研究所(NIST)在美国天体物理学联合实验研究所（JILA）的研究人员多年来一直致力于理解和控制超冷分子。

• 吉拉创纪录冷量子气体钾铷分子的印象概念图。图片：Steven Burrows/JILA

超冷分子比原子更复杂，因为它们不仅有许多内部能级，还会旋转和振动。十年前，吉拉团队制造了他们的第一种分子气体。NIST/JILA的研究员叶俊说：制造这种气体的基本技术与我们以前使用过的技术相同，但我们有一些新技术，比如显著改善原子的冷却，在最低能量状态下制造更多的原子。这促使了更高的转化效率，所以我们得到了更多的分子。JILA团队在250nk时产生了100,000个分子，在50nk时产生了25,000个分子。在此之前，最冷的两个原子分子最多可产生数万个，温度不低于几百毫微开尔文。

研究团队的最新量子气体温度记录远远低于量子效应开始取代经典效应的水平(约三分之一)，分子可以持续几秒钟，这是非常长寿的。这种新气体首先变得足够冷和稠密，使得这些分子物质波比它们之间的距离更长，使它们彼此重叠，从而形成一个新的实体。科学家称之为量子简并(量子物质可以表现为粒子或物质波，即粒子位置概率的波形模式)。量子简并还意味着费米子粒子间的排斥力增加，而费米子粒子无论如何都是孤独的，导致更少的化学反应和更稳定的气体。这是科学家首次观察到集体量子效应直接影响单个分子的化学性质。

这是第一次大量稳定分子的量子简并气体，化学反应被抑制了——这是一个没有人预料到的结果。在这个实验中产生的分子被称为极性分子，因为它们在铷原子上带一个正电荷，在钾原子上带一个负电荷。它们的相互作用因方向而异，可以用电场来控制。因此，与中性粒子相比，极性分子提供了更可调、更强的相互作用和额外的控制“旋钮”。这些新的超低温将使研究人员能够比较量子环境和经典环境中的化学反应，并研究电场如何影响极性相互作用。最终实际利益可能包括新的化学过程，使用带电分子作为量子比特的量子计算新方法，以及新的精密测量工具，如分子时钟。

制造这种分子的过程是从一种气体混合物开始，这种混合物是由非常冷的钾原子和被激光束束缚的铷原子组成。通过在原子间扫过一个精确调谐的磁场，科学家们创造出了包含每种原子大而弱的分子。这项技术是叶的同事，已故的Deborah Jin，在她2003年展示世界上第一个费米凝聚体时首创。为了在不加热气体的情况下将这些相对蓬松的分子转化为紧密结合的分子，科学家们使用了两种频率不同的激光器（每一种激光器与分子中不同的能量跃迁共振）将结合能转化为光而不是热。这些分子吸收近红外激光并释放红光。在这个过程中，90%的分子通过中间能量状态转化为最低和最稳定的能级。

博科园-科学科普｜研究/来自: 美国国家标准与技术研究所

参考期刊文献:《科学》

DOI: 10.1126/science.aau7230

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