物理科技生物学-PHYICA

新工具“打开”超冷分子夏川葵的量子气体

物理学 2022-06-14 23:59:08

国家标准与技术研究所 钾铷极性分子气体的假彩色图像(左)在达到称为量子简并(右)的状态时变得越来越致密和越来越冷,在这种状态下,单个分子的物质波重叠形成一个相互依赖的系统

信用:叶集团/ JILA的研究人员已经开发出工具来“开启”超冷分子的量子气体,从而获得对长距离分子相互作用的控制,用于潜在的应用,例如为量子计算和模拟编码数据

新方案将分子气体轻推至最低能态,称为量子简并,同时抑制分解分子的化学反应,最终使得探索所有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期《自然》

JILA是国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所

“分子总是因它们的长程相互作用而闻名,这可以带来奇异的量子物理和量子信息科学的新控制,”NIST/JILA·费勒·叶军说

“然而,直到现在,还没有人知道如何在大量气体中开启这些长程相互作用

" “现在,这一切都变了

我们的工作首次表明,我们可以打开电场来操纵分子相互作用,让它们进一步冷却,并开始探索所有分子相互耦合的集体物理

" 这项新的工作延续了叶以前在超冷量子气体方面的许多成就

研究人员长期以来一直试图用控制原子的方式来控制超冷分子

分子提供了额外的控制手段,包括极性——即相反的电荷——以及许多不同的振动和旋转

JILA实验在绝对零度(约零下273摄氏度或零下459华氏度)以上250毫微开尔文的温度下创造了一种约20,000个被俘获的钾铷分子的致密气体

至关重要的是,这些分子是极性的,铷原子带正电荷,钾原子带负电荷

这些正负电荷之间的差异,称为电偶极矩,导致分子的行为像对某些力敏感的微型指南针磁铁,在这种情况下是电场

当气体冷却到接近绝对零度时,分子不再表现得像粒子,而是表现得像重叠的波

分子分开是因为它们是费米子,费米子是一类不能同时处于相同量子态和位置的粒子,因此相互排斥

但是它们可以通过重叠波、电偶极矩和其他特征进行远距离相互作用

过去,JILA的研究人员通过用磁场和激光操纵包含两种类型原子的气体来创造分子的量子气体

这一次,研究人员首先将气态原子的混合物装入由激光(称为光学晶格)形成的薄煎饼状陷阱的垂直叠层中,沿垂直方向紧紧地限制原子

研究人员随后使用磁场和激光将成对的原子结合成分子

剩余的原子被加热,并通过调节激光激发每种原子特有的运动来去除

然后,随着分子云位于由两块玻璃板和四根钨棒组成的新六电极组件的中心,研究人员产生了一个可调电场

电场在稳定气体的分子之间引发排斥相互作用,减少分子发生化学反应并从陷阱中逃逸的非弹性(“不良”)碰撞

这项技术在抑制化学反应的同时,将弹性(“良好”)相互作用的速率提高了一百倍以上

这种环境允许气体有效蒸发冷却到低于量子简并开始的温度

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

在数百毫秒内缓慢开启水平电场会降低一个方向的陷阱强度,足以让热分子逃逸,让剩余分子冷却下来

在这个过程的最后,分子回到了它们最稳定的状态,但现在是在一种密度更大的气体中

新的JILA方法可以用于从其他类型的极性分子制造超冷气体

超冷分子气体可能有很多实际用途,包括利用极性分子作为量子比特的量子计算新方法;模拟和提高对量子现象的理解,如巨磁电阻(用于改进数据存储和处理)和超导性(用于完全有效的电力传输);以及精确测量的新工具,如分子钟或分子系统,可以用来搜索新的物理理论

来源:由phyica.com整理转载自PH,转载请保留出处和链接!

本文链接:http://www.phyica.com/wulixue/18261.html

发表评论

用户头像 游客
此处应有掌声~

评论列表

还没有评论,快来说点什么吧~