@ 2021.04.29 , 18:58

科学家第一次用分子实现玻色-爱因斯坦凝聚

量子物理学又解锁一项里程碑成就:数以千计的分子被诱导至相同的量子状态,整体像一个巨大的超级分子一样同呼吸共命运。

这是物理学家们长期追求的东西,他们希望将复杂的量子系统投入实际应用——但是让一群不守规矩的分子一起工作,其难度堪比为一千只小猫拍毕业照。

芝加哥大学的物理学家Cheng Chin说:"人们试了几十年,所以我们为自己的成功感到兴奋异常。我希望这能在多体量子化学中开辟新的领域。有证据表明,前面有很多的发现在等着我们。"

许多粒子共同表现成一个大粒子,并不是新出的概念。在几十年前,科学家就为它们起了名字:玻色-爱因斯坦凝聚物;并且在单一原子团上完成了实验。

被冷却到接近绝对零度的原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚。超低温导致它们进入最低能量状态,极慢地振动,使彼此的能量差异消失,最终在量子叠加中重叠。

结果就是一个高密度的原子团,像一个 "超级原子" 或物质波。

然而,分子是由多个原子组成的,因此多分子的凝聚要困难得多。

"原子是简单的球形物体,而分子可以振动、旋转、携带磁性。"Chin解释说,"因为分子可以做这么多不同的事情,这使得它们更有价值,但同时也更难控制。"

为了创造分子玻色-爱因斯坦凝聚物,芝加哥大学的物理学家张振东(音)领导的团队从原子凝聚物开始,使用了6万个铯原子。

接下来,他们进一步冷却凝结物,并加大磁场,使大约15%的铯原子碰撞并成对地结合在一起,形成铯分子。未结合的原子被从捕集器中弹出,并应用磁场梯度将剩余的分子悬浮并约束在一个二维结构中。

Chin说:"通常情况下,分子想要在所有方向上移动,如果我们允许它们这么做,它们的稳定性就会大大降低。所以我们要限制分子,使它们只能在二维表面上振动,只能向两个方向运动。"

由此产生的凝聚物是由分子组成的,科学家们发现这些分子都占据着相同的量子态,具有相同的自旋、方向和振动。

我们还没有详尽探索分子玻色-爱因斯坦凝聚物能做些什么,但先把它们制造出来,无疑是迈出的最重要一步,为未来的实验提供了一块空白的画布。

也不仅仅是针对分子凝结物本身,而是针对原子和分子玻色-爱因斯坦凝聚之间的过渡。探索这一过程是如何进行的,将帮助科学家们简化这一过程,因此我们可以开发出具有其他分子的冷凝物,这些冷凝物可能更容易维护,或者对应用更有价值。

Chin说:"在化学的传统方式中,几个原子和分子碰撞并形成一个新的分子。但在量子体系中,所有的分子都在一起行动,有集体行为。这为探索分子如何共同反应成为一种新的分子开辟了一个全新的途径。"

该团队的研究已经发表在《自然》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-have-harnessed-thousands-of-molecules-into-a-single-quantum-state


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