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让分子稳定进入第五种物质状态,人类用了20多年

时间: 2021年05月26日 | 作者: 王昱 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
我们熟悉的物质状态包括固态、液态、气态和等离子体,而常被称作物质的“第五种状态”的玻色-爱因斯坦凝聚态颇为神奇,这是一种由玻色分布预言的极低温物理现象。


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金政教授在实验室中的照片(图片来源:Jason Smith/University of Chicago)


这种状态1924年被提出,到1995年才被科学家实现。而今天,科学家终于更进一步,较为稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。在接近一个世纪的征程后,这项站在巨人肩膀上的成就一定能给量子领域带来更多可能。


撰文|王昱

审校|张振东(论文第一作者)

 

1924年,被连续拒稿的萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)心灰意冷,选择将自己的稿件寄给爱因斯坦。这份手稿没有一丝经典物理的痕迹,完全建立在量子理论的基础之上,而其中的推导吸引了爱因斯坦的注意。爱因斯坦亲自将玻色的手稿从英语翻译成德语,并以玻色的名义寄送给当时的重要期刊《德国物理学刊》。

 

正是在这篇文章中,玻色-爱因斯坦凝聚态的概念被提出了。量子力学中,粒子由波函数描述。当温度接近绝对零度时,粒子都处于最低能级,它们的波函数扩散开来。如果此时粒子密度较大,波函数覆盖的范围超出粒子间的间距,我们无法从波函数中分辨出单个粒子,玻色-爱因斯坦凝聚态就产生了。这是一组处于相同量子态上的粒子,它们拥有完全相同的取向、完全一致的振动频率。

 

1995年,埃里克·阿林·康奈尔(Eric Allin Cornell)带领团队将铷-87原子冷却到170纳开尔文(nK)后,首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态。4个月后,沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)的团队利用钠-23原子独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。后来,他们共同获得了2001年的诺贝尔物理学奖。


但在此之后的20多年里,没有人能稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。相比于原子,分子能级更为复杂,用途更为广泛。不过也正因如此,它们更难被冷却。

 

直到最近,在一篇发表于《自然》的论文中,来自芝加哥大学和山西大学的国际研究团队将6万个11纳开尔文的铯原子固定在他们制造的二维平坦势阱中,产生了铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚态,在磁场的作用下,这些原子形成了分子,首次形成较为稳定的铯分子玻色-爱因斯坦凝聚态。

 

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对铯分子玻色-爱因斯坦凝聚态的成像(图片来源:金政教授实验室)


极冷的粒子监狱


论文通讯作者,芝加哥大学教授金政表示:“实验最难的部分就是保证分子玻色-爱因斯坦凝聚态的稳定性,如果它们消散太快,我们就无法验证它们是否形成了这种状态。”分子之间的非弹性碰撞会很快将其加热,让分子逃离势阱,并且阻止分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。而低温和合适的势阱形状,是分子玻色-爱因斯坦凝聚态能稳定存在的关键因素。

 

为了实现极冷的实验环境,研究团队分三个阶段来冷却铯原子。第一阶段是激光冷却,铯原子被放到磁光阱中,铯原子受到来自三对方向垂直的特定频率的激光照射,当其运动方向与激光方向相对时,铯原子会吸收光子,同时获得原先光子的动量,但由于两者运动方向相反,铯原子的动量会降低,也就是让其降温。在这个过程中,铯原子能被冷却到几微开尔文量级。

 

第二阶段需要拉曼边带冷却,即将铯原子束缚到光晶格中,每个格点可以近似看作一个简谐子势阱。在简谐子势阱中,原子一般不处于振动能级基态。而由于外加磁场对原子造成的塞曼效应(Zeeman effect),原子能级分裂成多个能级。调整磁场让分裂能级间隔和原子振动能级间隔相同,再通过拉曼双光子过程,改变原子的磁量子数和振动能级,让原子处于最低能量状态,这样就能让原子冷却到几百纳开尔文左右。

 

第三阶段需要用到蒸发冷却。将原子固定到势阱中,不断降低势阱的深度,让动能较高的原子自发逃出势阱。就像蒸发一样,逃走的原子带走了部分热量,剩下的原子经过弹性碰撞达到平衡后,相较于之前的状态,整体温度进一步降低。最终,通过三个冷却步骤,研究人员得到了6万个11纳开尔文的铯原子组成的凝聚体。

 

除此之外,研究团队将这6万个11纳开尔文的铯原子固定到特定势阱中,这个势阱中,Z方向的势阱高度远高于铯原子动能,原子只能在和Z轴垂直的平面上运动,这就是所谓的二维势阱。而这个二维的底部形状,论文第一作者张振东表示:“我们实验相比之前最大的创新,就是势阱的形状,平底的势阱相较于简谐势阱来说,更容易让分子稳定存在。”

 

将6万个铯原子冷却到11纳开尔文,并固定到二维平坦势阱中后,铯原子就已经进入了玻色-爱因斯坦凝聚态。接下来,研究人员通过控制磁场变化,让铯原子变为了铯分子。


向分子转变


两个铯原子接近时,其整体势能发生变化。一般而言,铯原子并不会自发变成铯分子,但铯原子和铯分子的磁矩不同,其势能曲线随磁场的影响也不同。通过改变磁场,铯原子和铯分子的势能曲线就会接近,这时就会产生Feshbach共振。6万个铯原子中,任意两个都有机会配对转变成铯分子,玻色-爱因斯坦凝聚态的铯原子中的一部分就在这一步转变为了铯分子。


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通过改变磁场,分子势能曲线(蓝线)会相对原子势能曲线(黑线)上下移动,当两者接近时,就会发生Feshbach共振,会让原子变成分子(图片来源:Zhang et al., 2021)

 

不是所有的铯原子都能转变成铯分子,研究人员还需要将铯原子和铯分子分离开来。而也正是由于铯原子和铯分子磁矩不同,两者对磁场的响应是不同的。研究人员向上施加一个带有梯度的磁场,铯原子和铯分子就能分离开。而磁矩的不同也代表着能级的些许不同,对不同频率激光的响应也不同:特定的激光可以移动铯原子,而不会移动铯分子。磁场和激光双管齐下,铯分子和铯原子之间就这样分离开来。因此,这也意味着研究人员实现了铯分子的玻色-爱因斯坦凝聚。


巨人的肩膀上


“有时候在实验中你很难去预测你会看到什么,但是之后如果用理论去分析,你会发现它是合理的。”张振东说道。数十年来,人们一直在朝着分子玻色-爱因斯坦凝聚态这个目标前进。不论是谁最终能实现这个目标,也都是站在巨人的肩膀上。2003年时,就已经有团队找到了分子玻色-爱因斯坦凝聚态的迹象,但是并不能让其稳定存在。而今天较为稳定的玻色-爱因斯坦凝聚态,实用意义要强得多。

 

金政教授从上世纪90年代,还是研究生时就一直想实现这个目标,他说:“数十年来,人们一直在尝试实现这个目标,我们非常兴奋。我希望这能在多体量子化学中打开一个全新的领域。有证据表明,还有很多未知等待着我们去发现。”

 

分子玻色-爱因斯坦凝聚态相对于原子玻色-爱因斯坦凝聚态更难产生的原因之一,就是其震转能级结构更加丰富。不过也正是由于这种复杂的结构,让分子相对原子的玻色-爱因斯坦凝聚态有着更广泛的应用前景。对量子工程来说,分子玻色-爱因斯坦凝聚态就像一张等待人们在其上大展宏图的白纸。金政教授表示:“例如在量子化学,量子信息和精确测量方面,这种更复杂的结构能让原本在原子上不可能的应用变成了可能。”


参考论文:

Zhang, Z., Chen, L., Yao, KX. et al. Transition from an atomic to a molecular Bose–Einstein condensate. Nature 592, 708–711 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03443-0

 

参考链接:

https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state

https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate