让分子稳定进入第五种物质状态，人类用了20多年
环球科学
2021/06/04
论文
论文标题：Transition from an atomic to a molecular Bose–Einstein condensate
作者：Zhendong Zhang, Liangchao Chen, Kai-Xuan Yao, Cheng Chin
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期刊：Nature
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日期：2021-04-28
数字识别码：10.1038/s41586-021-03443-0
摘要：Molecular quantum gases (that is, ultracold and dense molecular gases) have many potential applications, including quantum control of chemical reactions, precision measurements, quantum simulation and quantum information processing1,2,3. For molecules, to reach the quantum regime usually requires efficient cooling at high densities, which is frequently hindered by fast inelastic collisions that heat and deplete the population of molecules4,5. Here we report the preparation of two-dimensional Bose–Einstein condensates (BECs) of spinning molecules by inducing pairing interactions in an atomic condensate near a g-wave Feshbach resonance6. The trap geometry and the low temperature of the molecules help to reduce inelastic loss, ensuring thermal equilibrium. From the equation-of-state measurement, we determine the molecular scattering length to be + 220(±30) Bohr radii (95% confidence interval). We also investigate the unpairing dynamics in the strong coupling regime and find that near the Feshbach resonance the dynamical timescale is consistent with the unitarity limit. Our work demonstrates the long-sought transition between atomic and molecular condensates, the bosonic analogue of the crossover from a BEC to a Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) superfluid in a Fermi gas7,8,9. In addition, our experiment may shed light on condensed pairs with orbital angular momentum, where a novel anisotropic superfluid with non-zero surface current is predicted10,11, such as the A phase of 3He.
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所属学科：量子物理
（领研网导读 阿金）分子量子气体应用潜力巨大，包括化学反应的量子控制、精准测量等等。本研究报告在一个原子凝聚体中诱导G波费许巴赫共振附近的配对相互作用，制备出自旋分子二维玻色-爱因斯坦凝聚体（BECs），并确定分子散射长度为 + 220(±30) 玻尔半径。结果证明了原子和分子凝聚体间的转换，和具有轨道角动量的凝聚电子对，为量子技术的突破提供新途径。
金政教授在实验室中的照片（图片来源：Jason Smith/University of Chicago）
我们熟悉的物质状态包括固态、液态、气态和等离子体，而常被称作物质的“第五种状态”的玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate，简称BEC）颇为神奇，这是一种由玻色分布预言的极低温物理现象。这种状态1924年被提出，到1995年才被科学家实现。而今天，科学家终于更进一步，较为稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。在接近一个世纪的征程后，这项站在巨人肩膀上的成就一定能给量子领域带来更多可能。
撰文｜王昱
审校｜张振东（论文第一作者）
1924年，被连续拒稿的萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）心灰意冷，选择将自己的稿件寄给爱因斯坦。这份手稿没有一丝经典物理的痕迹，完全建立在量子理论的基础之上，而其中的推导吸引了爱因斯坦的注意。爱因斯坦亲自将玻色的手稿从英语翻译成德语，并以玻色的名义寄送给当时的重要期刊《德国物理学刊》。
正是在这篇文章中，玻色-爱因斯坦凝聚态的概念被提出了。量子力学中，粒子由波函数描述。当温度接近绝对零度时，粒子都处于最低能级，它们的波函数扩散开来。如果此时粒子密度较大，波函数覆盖的范围超出粒子间的间距，我们无法从波函数中分辨出单个粒子，玻色-爱因斯坦凝聚态就产生了。这是一组处于相同量子态上的粒子，它们拥有完全相同的取向、完全一致的振动频率。
1995年，埃里克·阿林·康奈尔（Eric Allin Cornell）带领团队将铷-87原子冷却到170纳开尔文（nK）后，首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态。4个月后，沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）的团队利用钠-23原子独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。后来，他们共同获得了2001年的诺贝尔物理学奖。
但在此之后的20多年里，没有人能稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。相比于原子，分子能级更为复杂，用途更为广泛。不过也正因如此，它们更难被冷却。
直到最近，在一篇发表于《自然》的论文中，来自芝加哥大学和山西大学的国际研究团队将6万个11纳开尔文的铯原子固定在他们制造的二维平坦势阱中，产生了铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚态，在磁场的作用下，这些原子形成了分子，首次形成较为稳定的铯分子玻色-爱因斯坦凝聚态。
极冷的粒子监狱
论文通讯作者，芝加哥大学教授金政表示：“实验最难的部分就是保证分子玻色-爱因斯坦凝聚态的稳定性，如果它们消散太快，我们就无法验证它们是否形成了这种状态。”分子之间的非弹性碰撞会很快将其加热，让分子逃离势阱，并且阻止分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。而低温和合适的势阱形状，是分子玻色-爱因斯坦凝聚态能稳定存在的关键因素。
为了实现极冷的实验环境，研究团队分三个阶段来冷却铯原子。第一阶段是激光冷却，铯原子被放到磁光阱中，铯原子受到来自三对方向垂直的特定频率的激光照射，当其运动方向与激光方向相对时，铯原子会吸收光子，同时获得原先光子的动量，但由于两者运动方向相反，铯原子的动量会降低，也就是让其降温。在这个过程中，铯原子能被冷却到几微开尔文量级。
第二阶段需要拉曼边带冷却，即将铯原子束缚到光晶格中，每个格点可以近似看作一个简谐子势阱。在简谐子势阱中，原子一般不处于振动能级基态。而由于外加磁场对原子造成的塞曼效应（Zeeman effect），原子能级分裂成多个能级。调整磁场让分裂能级间隔和原子振动能级间隔相同，再通过拉曼双光子过程，改变原子的磁量子数和振动能级，让原子处于最低能量状态，这样就能让原子冷却到几百纳开尔文左右。
第三阶段需要用到蒸发冷却。将原子固定到势阱中，不断降低势阱的深度，让动能较高的原子自发逃出势阱。就像蒸发一样，逃走的原子带走了部分热量，剩下的原子经过弹性碰撞达到平衡后，相较于之前的状态，整体温度进一步降低。最终，通过三个冷却步骤，研究人员得到了6万个11纳开尔文的铯原子组成的凝聚体。
除此之外，研究团队将这6万个11纳开尔文的铯原子固定到特定势阱中，这个势阱中，Z方向的势阱高度远高于铯原子动能，原子只能在和Z轴垂直的平面上运动，这就是所谓的二维势阱。而这个二维的底部形状，论文第一作者张振东表示：“我们实验相比之前最大的创新，就是势阱的形状，平底的势阱相较于简谐势阱来说，更容易让分子稳定存在。”
将6万个铯原子冷却到11纳开尔文，并固定到二维平坦势阱中后，铯原子就已经进入了玻色-爱因斯坦凝聚态。接下来，研究人员通过控制磁场变化，让铯原子变为了铯分子。
向分子转变
两个铯原子接近时，其整体势能发生变化。一般而言，铯原子并不会自发变成铯分子，但铯原子和铯分子的磁矩不同，其势能曲线随磁场的影响也不同。通过改变磁场，铯原子和铯分子的势能曲线就会接近，这时就会产生Feshbach共振。6万个铯原子中，任意两个都有机会配对转变成铯分子，玻色-爱因斯坦凝聚态的铯原子中的一部分就在这一步转变为了铯分子。
通过改变磁场，分子势能曲线（蓝线）会相对原子势能曲线（黑线）上下移动，当两者接近时，就会发生Feshbach共振，会让原子变成分子（图片来源：Zhang et al., 2021）
不是所有的铯原子都能转变成铯分子，研究人员还需要将铯原子和铯分子分离开来。而也正是由于铯原子和铯分子磁矩不同，两者对磁场的响应是不同的。研究人员向上施加一个带有梯度的磁场，铯原子和铯分子就能分离开。而磁矩的不同也代表着能级的些许不同，对不同频率激光的响应也不同：特定的激光可以移动铯原子，而不会移动铯分子。磁场和激光双管齐下，铯分子和铯原子之间就这样分离开来。因此，这也意味着研究人员实现了铯分子的玻色-爱因斯坦凝聚。
巨人的肩膀上
“有时候在实验中你很难去预测你会看到什么，但是之后如果用理论去分析，你会发现它是合理的。”张振东说道。数十年来，人们一直在朝着分子玻色-爱因斯坦凝聚态这个目标前进。不论是谁最终能实现这个目标，也都是站在巨人的肩膀上。2003年时，就已经有团队找到了分子玻色-爱因斯坦凝聚态的迹象，但是并不能让其稳定存在。而今天较为稳定的玻色-爱因斯坦凝聚态，实用意义要强得多。
金政教授从上世纪90年代，还是研究生时就一直想实现这个目标，他说：“数十年来，人们一直在尝试实现这个目标，我们非常兴奋。我希望这能在多体量子化学中打开一个全新的领域。有证据表明，还有很多未知等待着我们去发现。”
分子玻色-爱因斯坦凝聚态相对于原子玻色-爱因斯坦凝聚态更难产生的原因之一，就是其震转能级结构更加丰富。不过也正是由于这种复杂的结构，让分子相对原子的玻色-爱因斯坦凝聚态有着更广泛的应用前景。对量子工程来说，分子玻色-爱因斯坦凝聚态就像一张等待人们在其上大展宏图的白纸。金政教授表示：“例如在量子化学，量子信息和精确测量方面，这种更复杂的结构能让原本在原子上不可能的应用变成了可能。”
参考链接：
https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state
https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate
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文章标签物质基本状态玻色-爱因斯坦凝聚态玻色子绝对零度量子态量子力学
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