馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所(MPQ)的物理學(xué)家們成功地形成了巨大雙原子分子，并用高分辨率的物鏡進行光學(xué)探測。傳統(tǒng)雙原子分子在亞納米體系中的微小尺寸阻礙了其組分的直接光學(xué)分辨率。

Immanuel Bloch教授領(lǐng)導(dǎo)的馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所量子多體分部的物理學(xué)家們能夠在一微米的距離內(nèi)結(jié)合一對高度激發(fā)的原子。這種巨大的鍵長可以與大腸桿菌這樣的小生物細胞相媲美。

通過直接光學(xué)分解兩個結(jié)合原子，可以對潛在的結(jié)合結(jié)構(gòu)進行微觀研究。小尺寸和所有貢獻電子之間的相互作用使得對分子鍵進行非常詳細的實驗和理論研究變得非常復(fù)雜。甚至原子結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵的基本組成部分，也不能用分析的方法計算出來。只有氫原子（元素周期表上第一個也是最簡單的元素，只有一個質(zhì)子和一個電子）才能被精確地計算出來。從原子到分子的轉(zhuǎn)變更加困難，由于地球上幾乎所有的原子都是由分子結(jié)合而成。

所以感知分子結(jié)合的結(jié)構(gòu)對于理解我們環(huán)境的物質(zhì)屬性是至關(guān)重要。只有一個電子處于高度激發(fā)態(tài)的原子，即所謂的里德伯原子，將氫原子的簡單結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到更復(fù)雜原子上，因為單個激發(fā)態(tài)電子離原子核和其他電子很遠。此外，近年來，Rydberg原子由于其強大的相互作用而受到了廣泛的關(guān)注，這種相互作用甚至可以在微米距離下測量，并且已經(jīng)應(yīng)用于量子模擬和量子計算領(lǐng)域，研究團隊現(xiàn)在通過使用激光可以使用這些交互以綁定兩個里德伯原子。

由于Rydberg原子理論相對簡單，得到的分子的光譜分辨振動狀態(tài)與理論計算能級在數(shù)量上是一致的。該研究的第一作者、博士生西蒙·霍爾瑞斯(Simon Hollerith)說：此外，大尺寸允許直接用顯微鏡觀察鍵長和受激分子的方向。在實驗中，物理學(xué)家開始使用原子距離為0.53μm的二維原子陣列，其中陣列的每個位置最初僅由一個原子占據(jù)。通過干涉激光束產(chǎn)生了將基態(tài)原子固定在初始位置的底層晶格。由于相關(guān)的分子被排斥出晶格，分子激發(fā)導(dǎo)致兩個由鍵長隔開的空晶格點，在這種情況下，鍵長對應(yīng)于晶格對角線的距離。

在激發(fā)脈沖后，用高分辨率物鏡測量晶格的剩余原子占位，并將分子確定為相關(guān)的空位點。利用這種微觀探測方法，物理學(xué)家們還可以發(fā)現(xiàn)，不同分子共振的受激分子的方向，相對于受激光的偏振，是平行排列和垂直排列交替的。其原因是基于電子結(jié)構(gòu)和分子振動自由度的干涉效應(yīng)，這也是由理論預(yù)期所預(yù)測的。在未來，MPQ團隊計劃使用新分子共振來模擬量子多體系統(tǒng)，兩個里德伯原子的束縛態(tài)可以在鍵長距離上產(chǎn)生較大的相互作用強度。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aaw4150

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