JILA的研究人员制造出温度最低的分子量子气体

这是关于JILA最低温度纪录的钾铷分子量子气体的模拟图。Credit： Steven Burrows/JILA

美国天体物理联合实验室（JILA）的研究人员已经制造出一种寿命长且创下最低温度纪录的分子气体，这种气体遵循的是量子力学的波动模式，而不是普通传统物理学严格意义上的粒子性质。这种气体的产生拓展了设计化学和量子计算等领域的发展。

正如2019年2月22日出版的《科学》（Science）杂志封面所介绍的那样，该研究团队在低至50毫微开尔 （nK）的温度下制造出了钾铷（KRb）分子气体。这也就是一开尔 的500亿分之一，或者说比绝对零度高一点点，也是理论上可能的最低温度。这些分子处于可能的最低能量状态，构成了我们所知的简并费米气体。

在量子气体中，所有分子的性质都有特定的限值，也就是量子化，就像梯子上的梯级或音阶上的音符。将气体冷却到最低温度可以让研究人员最大限度地控制这些分子。研究涉及的两个原子属于不同的类别：钾是费米子（由奇数个称为质子和中子的亚原子组成），铷是玻色子（由偶数个亚原子组成）。产生的分子具有费米特性。

JILA由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。JILA的NIST研究人员多年来一直在研究和控制超冷分子，超冷分子比原子更复杂，因为它们不仅有许多内部能级，而且还会旋转和振动。JILA的研究团队在10年前就制造出了他们的第一个分子气体。

“制造这种气体的基本技术和我们以前使用的是一样的，但我们现在有一些新技术，比如显著改善原子的冷却，在最低能量状态下制造更多的原子，”NIST/JILA研究员Jun Ye说。“这产生了更高的转化效率，所以我们得到了更多的分子。”

JILA的研究团队在250 nK的温度下制造出10万个分子，而在50 nK的温度下制造出2.5万个分子。

在此之前，温度最低的双原子分子也就是在不低于几百nK的温度下最多产生几万个。“JILA最新的气体温度记录远低于量子效应开始取代传统效应的水平（只是它的大约三分之一），而且分子能持续几秒钟——这是相当长的寿命，”Ye说。

这种新的气体首先要变得足够冷、足够致密，让这些分子的物质波比它们之间的距离长，使它们相互重叠，从而形成新的实体。科学家称之为量子简并。（量子物质可以表现为粒子或物质波，即粒子位置概率的波形图）。

量子简并还意味着费米粒子之间的排斥力增加，而这些粒子往往是孤立的，从而导致更少的化学反应和更稳定的气体。“这是科学家首次在实验中观察到直接影响单个分子化学性的集体量子效应，”Ye说。

“这是第一批稳定分子的量子简并气体，化学反应被抑制——在此之前没有人曾预测到这个结果，”Ye说。

在该实验中产生的分子被称为极性分子，因为它们在铷原子上带正电荷，在钾原子上带负电荷。它们的相互作用随方向而变化，并且可以用电场来控制。因此，与中性粒子相比，极性分子提供了更可调谐、更强的相互作用和额外的控制“旋钮”。

这些新的超低温度气体将使研究人员能够比较量子和传统环境下的化学反应，并研究电场如何影响极性相互作用。最终的实际好处可能包括新的化学过程，使用带电分子作为量子比特的量子计算的新方法，以及新的精密测量工具，如分子钟。

制造这种分子的过程开始于一种气体混合物，这种混合物由受激光约束的极冷钾原子和铷原子组成。通过将精确调谐的磁场扫过原子，科学家们创造出大量束缚弱的分子，其包含每种类型的一个原子。这项技术最先是由Ye的同事、已故的Deborah Jin在2003年验证世界上第一个费米子凝聚态时提出的。

为了使这些相对蓬松的分子转化为紧密结合的分子且不会导致气体温度升高，科学家们使用了两种不同频率的激光器——每一种激光器与分子中不同的能量跳跃产生共振，将结合能转化为光而不是热。分子吸收近红外激光并释放红光。在这个过程中，90%的分子通过中间能态转化为最低及最稳定的能级。

此研究得到了NIST、美国空军科学研究办公室、陆军研究办公室和国家科学基金会的支持。

——编译：李莉萍

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