量子物理里程碑:華人科學家製備首個分子BEC

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近日,華人物理學家在量子物理領域取得了重大突破。來自芝加哥大學與山西大學的研究人員,首次通過原子玻色-愛因斯坦凝聚體產生了具有固有角動量的分子玻色-愛因斯坦凝聚體。在這種方法下,數千個分子共享同一個量子態,步履一致地翩翩起舞。該成果突破了學界攻堅數十年的技術難題,具有巨大的基礎應用價值,有科學家將其稱譽為「量子工程的繪圖紙」。

論文於2021年4月28日發表在nature上,通訊作者為芝加哥大學金政教授;第一單位為芝加哥大學,第二單位為山西大學;

玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein Condensation,BEC)是愛因斯坦在1924年預言的一種物質形態,是一種十分神奇的物態。BEC要求在理想氣體中將玻色所提出的光子量子統計規律推廣到原子層面,且只發生在全同玻色子之中。所謂”全同”不僅指這些玻色子的內稟屬性一樣(如具有相同質量,相同數量的電荷等),它還要求原子內部的能態也一樣。當溫度十分低、每個粒子的德布羅意波長足夠長的時候,這些粒子的物質波分佈會發生重疊,粒子會開始「彼此不分」。因此,處在BEC狀態的原子云,其每個原子都將按照相同的方式同步運動,因此可將它們視作一個巨大的單一原子,用同一個波函數來描述其狀態,這就是所謂的共享同一量子態。

在歷史上,科學家們首先通過稀薄鹼金屬氣體實現了愛因斯坦的這一推論,在原子層面製備出了BEC。但是,由於分子具有複雜的轉動自由度和豐富的內部結構,製備分子BEC難度要大得多。目前製備分子BEC的思路有二:一是採用激光冷卻技術冷卻分子,但這需要設置比製備原子BEC時更複雜的冷卻光束,而且分子更多的能級結構也帶來了更多的損耗通道,因此對分子穩定性提出了較高的要求。科學家們已經沿着這一思路進行了許多巧妙的嘗試。

量子物理里程碑:華人科學家製備首個分子BEC金政教授

另一條思路是利用超冷原子配對形成超冷分子,這需要運用Feshbach共振技術。原子態和分子態通常有不同的能量,利用磁場和磁矩的相互作用可以移動它們的能級。當磁場調節到特定的強度(稱為共振點)時,原子態與分子態能量相同,可以發生顯著的耦合,從而使一部分原子轉化為分子。

本次研究採取的是第二種思路。研究人員首先製備了准二維的原子BEC,其溫度為10納開(僅比絕對零度高一億分之一度),然後令掃描磁場強度經過19.87高斯這一Feshbach共振點,在該過程中約有15%的原子形成了分子(數量約6000個)。勢阱的幾何形狀和低溫有效減少了非彈性損失,是分子BEC成功製備的關鍵因素之一。金政教授還設計了一些方法增加這些分子BEC的穩定性:「分子通常會向各個方向移動,如果放任不管,其穩定性就會很低。因此我們限制了分子,令其處於一個二維平面,只能朝兩個方向運動。」 該研究最終首次實現了原子BEC向分子BEC的轉化,這些得到的分子行動幾乎完全一致,秩序井然。

量子物理里程碑:華人科學家製備首個分子BEC分子BEC的圖像

這組行動「整齊劃一」的分子,令金政教授十分興奮,他表示他在學生時代就以此作為目標。更有科學家稱譽分子BEC就類似於量子工程的繪圖紙,其基礎應用價值不言而喻。金政教授說:「這是一個理想的起點。比如,假設你要構建存儲信息的量子系統,那麼在訂製、記錄信息之前,首先需要的是一個乾淨的書寫平台。」

分子BEC的背景與前景

超冷原子分子物理成為物理熱門已有幾十年。1986年,朱棣文與William D. Phillips成功捕捉、冷卻中性原子,為原子物理開啟了新的紀元。這項成就與Claude Cohen-Tannoudji作出的理論貢獻一起,被授予了1997年的諾貝爾物理獎。1995年,科學家將具有玻色子性質的原子進一步冷卻,首次觀察到了原子玻色-愛因斯坦凝聚體。這是一項里程碑式的發現,主導該實驗的Eric A. Cornell、Carl E. Wieman與Wolfgang Ketterle則因此獲得了2001年的諾貝爾物理獎。五年之間摘獲兩項諾貝爾獎,這樣的成績已足以令超冷原子分子物理在學界站穩腳跟。

幾十年來,超冷原子技術已經取得了長足發展。由於冷原子體系沒有雜質和缺陷的特性及其非常靈活的調控能力,過去十幾年,冷原子量子模擬、量子信息等方向已經取得了巨大的成功,特別是冷原子和光晶格的完美結合,大大地加深了人們們對量子強相互作用體系的理解。物理學家甚至在空間站和火箭上產生BEC;把BEC放進光學晶格,模擬晶體的性質;用BEC模擬宇宙學現象和彎曲時空的物理。

但是,原子間的相互作用通常是很弱且短程的范德華作用,這些特性帶來了一些限制, 很多凝聚態體系中非常重要的問題,目前在超冷原子體系中還很難實現。這正是一些科學家們不再滿足於超冷原子,轉而向分子層面的分子量子氣體(Molecular quantum gases)發起挑戰的原因。

相較原子,分子擁有較原子更豐富的內部能級構型,在很多領域的應用前景都非常廣闊。首先,對於分子的實驗研究可以擴展對於量子體系的操控和精密測量,利用其豐富的內部結構,可以檢驗諸如基本常數對稱性和宇稱標準模型的各種擴展等很基本的物理問題;再則,極性分子氣體能夠提供一類新的量子多體系統,它具有很強的各向異性的偶極相互作用,並且可以很容易地通過外電場來調節相互作用;第三,簡併分子氣體還使得研究極低溫的化學反應成為可能。

概括而言,傳統研究領域如光頻標、量子信息、物質波干涉儀和量子簡併特性等,新的研究方向如分子間的可控相互作用、電場誘導的電偶極距、手性分子光譜和超冷化學等,都是分子量子氣體的用武之地。而本次研究成果無疑帶有敲門磚的性質,為後續研究給予啟發。我們能夠看到,華人物理學家朱棣文曾經在該領域作出巨大貢獻,並得到了諾獎的肯定;而今天,華人科學家再度憑藉卓越智慧,為世界科學發展錦上添花。