美國天體物理學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究所（JILA）研究人員制造了一種壽命長、溫度創(chuàng)紀(jì)錄的分子氣體，這種氣體遵循量子力學(xué)的波型，而不是普通經(jīng)典物理學(xué)中嚴(yán)格的粒子性質(zhì)。這種氣體的產(chǎn)生提高了在設(shè)計(jì)化學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域取得進(jìn)展的可能性。

在2月22日的《科學(xué)》期刊封面上，研究小組制造了一種鉀銣(KRb)分子氣體，其溫度可低至50納米埃爾文(nK)。這是開爾文的50億分之一，或者略高于絕對(duì)零度，理論上可能的最低溫度。這些分子處于可能的最低能量狀態(tài)，構(gòu)成了所謂的簡并費(fèi)米氣體。

博科園-科學(xué)科普：在量子氣體中，所有分子的性質(zhì)都被限制在特定數(shù)值或量子化，就像梯子上的梯級(jí)或音階上的音符。將氣體冷卻到最低溫度可以讓研究人員最大限度地控制分子。所涉及的兩個(gè)原子屬于不同類別：鉀是一種費(fèi)米子(具有奇數(shù)亞原子組成的質(zhì)子和中子)，銣?zhǔn)且环N玻色子(具有偶數(shù)亞原子組成的玻色子)。得到的分子具有費(fèi)米特征。美國天體物理學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究所（JILA）由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合運(yùn)營。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)在美國天體物理學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究所（JILA）的研究人員多年來一直致力于理解和控制超冷分子。

超冷分子比原子更復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儾粌H有許多內(nèi)部能級(jí)，還會(huì)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)。十年前，吉拉團(tuán)隊(duì)制造了他們的第一種分子氣體。NIST/JILA的研究員葉俊說：制造這種氣體的基本技術(shù)與我們以前使用過的技術(shù)相同，但我們有一些新技術(shù)，比如顯著改善原子的冷卻，在最低能量狀態(tài)下制造更多的原子。這促使了更高的轉(zhuǎn)化效率，所以我們得到了更多的分子。JILA團(tuán)隊(duì)在250nk時(shí)產(chǎn)生了100,000個(gè)分子，在50nk時(shí)產(chǎn)生了25,000個(gè)分子。在此之前，最冷的兩個(gè)原子分子最多可產(chǎn)生數(shù)萬個(gè)，溫度不低于幾百毫微開爾文。

研究團(tuán)隊(duì)的最新量子氣體溫度記錄遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于量子效應(yīng)開始取代經(jīng)典效應(yīng)的水平(約三分之一)，分子可以持續(xù)幾秒鐘，這是非常長壽的。這種新氣體首先變得足夠冷和稠密，使得這些分子物質(zhì)波比它們之間的距離更長，使它們彼此重疊，從而形成一個(gè)新的實(shí)體。科學(xué)家稱之為量子簡并(量子物質(zhì)可以表現(xiàn)為粒子或物質(zhì)波，即粒子位置概率的波形模式)。量子簡并還意味著費(fèi)米子粒子間的排斥力增加，而費(fèi)米子粒子無論如何都是孤獨(dú)的，導(dǎo)致更少的化學(xué)反應(yīng)和更穩(wěn)定的氣體。這是科學(xué)家首次觀察到集體量子效應(yīng)直接影響單個(gè)分子的化學(xué)性質(zhì)。

這是第一次大量穩(wěn)定分子的量子簡并氣體，化學(xué)反應(yīng)被抑制了——這是一個(gè)沒有人預(yù)料到的結(jié)果。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的分子被稱為極性分子，因?yàn)樗鼈冊(cè)阢溤由蠋б粋€(gè)正電荷，在鉀原子上帶一個(gè)負(fù)電荷。它們的相互作用因方向而異，可以用電場(chǎng)來控制。因此，與中性粒子相比，極性分子提供了更可調(diào)、更強(qiáng)的相互作用和額外的控制“旋鈕”。這些新的超低溫將使研究人員能夠比較量子環(huán)境和經(jīng)典環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)，并研究電場(chǎng)如何影響極性相互作用。最終實(shí)際利益可能包括新的化學(xué)過程，使用帶電分子作為量子比特的量子計(jì)算新方法，以及新的精密測(cè)量工具，如分子時(shí)鐘。

制造這種分子的過程是從一種氣體混合物開始，這種混合物是由非常冷的鉀原子和被激光束束縛的銣原子組成。通過在原子間掃過一個(gè)精確調(diào)諧的磁場(chǎng)，科學(xué)家們創(chuàng)造出了包含每種原子大而弱的分子。這項(xiàng)技術(shù)是葉的同事，已故的Deborah Jin，在她2003年展示世界上第一個(gè)費(fèi)米凝聚體時(shí)首創(chuàng)。為了在不加熱氣體的情況下將這些相對(duì)蓬松的分子轉(zhuǎn)化為緊密結(jié)合的分子，科學(xué)家們使用了兩種頻率不同的激光器（每一種激光器與分子中不同的能量躍遷共振）將結(jié)合能轉(zhuǎn)化為光而不是熱。這些分子吸收近紅外激光并釋放紅光。在這個(gè)過程中，90%的分子通過中間能量狀態(tài)轉(zhuǎn)化為最低和最穩(wěn)定的能級(jí)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所

參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aau7230

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