研究人员首次实现对“分子量子”的控制，打开了新的物理理论大门
老胡说科学2020-12-10 22:49
图中是钾铷极性分子气体（左图）密度越来越大，温度越来越低，达到量子简并态（右图），在此状态下，单个分子的物质波重叠，形成一个相互依赖的系统。研究人员已经开发出一种工具来开启超冷分子的量子气体，从而获得对远距离分子相互作用的控制，为量子计算和模拟等潜在应用编码数据。
将分子气体控制在最低能量状态的方法被称为量子简并，同时抑制分子的化学反应，使探索分子相互作用的奇异量子态成为可能。
这项研究发表在12月10日出版的《自然》杂志上。研究员叶俊说：“分子以它们的远距离相互作用而闻名，这可以带来奇异的量子物理学和量子信息科学的新控制。”“然而，直到现在，还没有人知道如何在大量气体中开启这些远距离的相互作用。”
现在，这一切都改变了。新的研究首次表明，我们可以用电场来操纵分子间的相互作用，让它们进一步冷却，并探索所有分子相互耦合的集体物理现象。长期以来，研究人员一直试图用控制原子的方法来控制超冷分子。分子提供了额外的控制手段，包括许多不同的振动和旋转。
新的实验在大约零下273摄氏度的温度下，创造了一种含有大约20000个被困的钾铷分子的致密气体。至关重要的是，这些分子是极性的，在铷原子上带正电荷，在钾原子上带负电荷。这些正电荷和负电荷之间的差异，被称为电偶极矩，使这些分子表现得像微小的罗盘磁铁，它们对电场敏感。
当气体冷却到接近绝对零度时，分子不再像粒子那样运动，而是像重叠的波那样运动。这些分子之所以分开是因为它们是费米子，费米子是一类不能在同一时间处于同一量子状态和位置的粒子，因此它们会相互排斥。但它们可以通过重叠的波、电偶极矩和其他特征进行远距离的相互作用。
在过去，研究人员通过磁场和激光操纵一种包含两种原子的气体，创造了分子量子气体。这一次，研究人员首先将混合的气体原子装入由激光形成的光学晶格陷阱中。然后，研究人员利用磁场和激光将原子对结合在一起形成分子。剩下的原子被加热，并通过调谐激光来激发每种原子特有的运动。然后，将分子云放置在由两块玻璃板和四根钨棒组成的新的六电极组装中心，研究人员生成了一个可调谐电场。
电场引发了分子之间的排斥性相互作用，稳定了气体，减少了非弹性碰撞，在这种碰撞中，分子发生化学反应并逃离陷阱。这项技术在抑制化学反应的同时，将弹性相互作用的速率提高了一百倍。
这种环境允许气体蒸发冷却到低于量子简所需要的温度。冷却过程将最热的分子从晶格陷阱中移除，并允许剩余的分子通过弹性碰撞调整到较低的温度。在数百毫秒的时间里，缓慢地打开水平电场，降低了一个方向上的捕集强度，让热分子逃逸，剩余的分子冷却下来。在这个过程的最后，分子回到了它们最稳定的状态，但是处于密度更大的气体中。
新的方法可以应用于从其他类型的极性分子中生成超低温气体。超冷分子气体可能有许多实际用途，包括利用极性分子作为量子比特进行量子计算、对量子现象的模拟和改进以及用于精密测量，这些工具能够探索新的物理理论。
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