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近日，華人物理學家在量子物理領域取得了重大突破。來自芝加哥大學與山西大學的研究人員，首次通過原子玻色-愛因斯坦凝聚體產(chǎn)生了具有固有角動量的分子玻色-愛因斯坦凝聚體。在這種方法下，數(shù)千個分子共享同一個量子態(tài)，步履一致地翩翩起舞。該成果突破了學界攻堅數(shù)十年的技術難題，具有巨大的基礎應用價值，有科學家將其稱譽為“量子工程的繪圖紙”。
論文于2021年4月28日發(fā)表在nature上，通訊作者為芝加哥大學金政教授；第一單位為芝加哥大學，第二單位為山西大學；
玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(Bose-Einstein Condensation,BEC)是愛因斯坦在1924年預言的一種物質形態(tài)，是一種十分神奇的物態(tài)。BEC要求在理想氣體中將玻色所提出的光子量子統(tǒng)計規(guī)律推廣到原子層面，且只發(fā)生在全同玻色子之中。所謂'全同'不僅指這些玻色子的內稟屬性一樣(如具有相同質量，相同數(shù)量的電荷等)，它還要求原子內部的能態(tài)也一樣。當溫度十分低、每個粒子的德布羅意波長足夠長的時候，這些粒子的物質波分布會發(fā)生重疊，粒子會開始“彼此不分”。因此，處在BEC狀態(tài)的原子云，其每個原子都將按照相同的方式同步運動，因此可將它們視作一個巨大的單一原子，用同一個波函數(shù)來描述其狀態(tài)，這就是所謂的共享同一量子態(tài)。
在歷史上，科學家們首先通過稀薄堿金屬氣體實現(xiàn)了愛因斯坦的這一推論，在原子層面制備出了BEC。但是，由于分子具有復雜的轉動自由度和豐富的內部結構，制備分子BEC難度要大得多。目前制備分子BEC的思路有二：一是采用激光冷卻技術冷卻分子，但這需要設置比制備原子BEC時更復雜的冷卻光束，而且分子更多的能級結構也帶來了更多的損耗通道，因此對分子穩(wěn)定性提出了較高的要求?？茖W家們已經(jīng)沿著這一思路進行了許多巧妙的嘗試。
金政教授
另一條思路是利用超冷原子配對形成超冷分子，這需要運用Feshbach共振技術。原子態(tài)和分子態(tài)通常有不同的能量，利用磁場和磁矩的相互作用可以移動它們的能級。當磁場調節(jié)到特定的強度（稱為共振點）時，原子態(tài)與分子態(tài)能量相同，可以發(fā)生顯著的耦合，從而使一部分原子轉化為分子。
本次研究采取的是第二種思路。研究人員首先制備了準二維的原子BEC，其溫度為10納開(僅比絕對零度高一億分之一度)，然后令掃描磁場強度經(jīng)過19.87高斯這一Feshbach共振點，在該過程中約有15%的原子形成了分子(數(shù)量約6000個)。勢阱的幾何形狀和低溫有效減少了非彈性損失，是分子BEC成功制備的關鍵因素之一。金政教授還設計了一些方法增加這些分子BEC的穩(wěn)定性：“分子通常會向各個方向移動，如果放任不管，其穩(wěn)定性就會很低。因此我們限制了分子，令其處于一個二維平面，只能朝兩個方向運動?！?該研究最終首次實現(xiàn)了原子BEC向分子BEC的轉化，這些得到的分子行動幾乎完全一致，秩序井然。
分子BEC的圖像
這組行動“整齊劃一”的分子，令金政教授十分興奮，他表示他在學生時代就以此作為目標。更有科學家稱譽分子BEC就類似于量子工程的繪圖紙，其基礎應用價值不言而喻。金政教授說：“這是一個理想的起點。比如，假設你要構建存儲信息的量子系統(tǒng)，那么在訂制、記錄信息之前，首先需要的是一個干凈的書寫平臺?！?/p> 分子BEC的背景與前景
超冷原子分子物理成為物理熱門已有幾十年。1986年，朱棣文與William D. Phillips成功捕捉、冷卻中性原子，為原子物理開啟了新的紀元。這項成就與Claude Cohen-Tannoudji作出的理論貢獻一起，被授予了1997年的諾貝爾物理獎。1995年，科學家將具有玻色子性質的原子進一步冷卻，首次觀察到了原子玻色-愛因斯坦凝聚體。這是一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)，主導該實驗的Eric A. Cornell、Carl E. Wieman與Wolfgang Ketterle則因此獲得了2001年的諾貝爾物理獎。五年之間摘獲兩項諾貝爾獎，這樣的成績已足以令超冷原子分子物理在學界站穩(wěn)腳跟。
幾十年來，超冷原子技術已經(jīng)取得了長足發(fā)展。由于冷原子體系沒有雜質和缺陷的特性及其非常靈活的調控能力，過去十幾年，冷原子量子模擬、量子信息等方向已經(jīng)取得了巨大的成功，特別是冷原子和光晶格的完美結合，大大地加深了人們們對量子強相互作用體系的理解。物理學家甚至在空間站和火箭上產(chǎn)生BEC；把BEC放進光學晶格，模擬晶體的性質；用BEC模擬宇宙學現(xiàn)象和彎曲時空的物理。
但是，原子間的相互作用通常是很弱且短程的范德華作用，這些特性帶來了一些限制, 很多凝聚態(tài)體系中非常重要的問題，目前在超冷原子體系中還很難實現(xiàn)。這正是一些科學家們不再滿足于超冷原子，轉而向分子層面的分子量子氣體(Molecular quantum gases)發(fā)起挑戰(zhàn)的原因。
相較原子，分子擁有較原子更豐富的內部能級構型，在很多領域的應用前景都非常廣闊。首先，對于分子的實驗研究可以擴展對于量子體系的操控和精密測量，利用其豐富的內部結構，可以檢驗諸如基本常數(shù)對稱性和宇稱標準模型的各種擴展等很基本的物理問題；再則，極性分子氣體能夠提供一類新的量子多體系統(tǒng)，它具有很強的各向異性的偶極相互作用，并且可以很容易地通過外電場來調節(jié)相互作用；第三，簡并分子氣體還使得研究極低溫的化學反應成為可能。
概括而言，傳統(tǒng)研究領域如光頻標、量子信息、物質波干涉儀和量子簡并特性等，新的研究方向如分子間的可控相互作用、電場誘導的電偶極距、手性分子光譜和超冷化學等，都是分子量子氣體的用武之地。而本次研究成果無疑帶有敲門磚的性質，為后續(xù)研究給予啟發(fā)。我們能夠看到，華人物理學家朱棣文曾經(jīng)在該領域作出巨大貢獻，并得到了諾獎的肯定；而今天，華人科學家再度憑借卓越智慧，為世界科學發(fā)展錦上添花。
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