量子物理学的里程碑:中国科学家制备第一个分子BEC
论文发表在2021年4月28日的《自然》杂志上，通讯作者是芝加哥大学的郑锦教授。第一个单位是芝加哥大学，第二个单位是山西大学。
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是爱因斯坦在1924年预言的一种物质形式，是一种非常神奇的物质状态。BEC要求将玻色提出的光子量子统计定律推广到理想气体中的原子水平，而且只发生在全同玻色子中。所谓“相同”，不仅仅是指这些玻色子的内禀性质相同(如具有相同的质量、相同的电荷数量等。)，还要求原子的内能态相同。当温度很低，每个粒子的德布罗意波长足够长的时候，这些粒子的物质波分布就会重叠，粒子就开始“互不可分”。因此，处于BEC态的原子云中的每一个原子都会以同样的方式同步运动，所以可以把它们看作一个巨大的单个原子，它们的状态可以用同一个波函数来描述，这就叫做* * *享受同一个量子态。
历史上，科学家们首先通过稀有碱金属气体实现了爱因斯坦的推论，并在原子水平上制备了BEC。然而，分子BEC由于其复杂的转动自由度和丰富的内部结构，制备起来要困难得多。目前制备分子BEC有两种思路:一种是利用激光冷却技术冷却分子，但这比制备原子BEC时需要更复杂的冷却光束，分子更多的能级结构也带来更多的损耗通道，因此对分子稳定性提出了更高的要求。科学家们沿着这条思路做了许多巧妙的尝试。
郑锦教授
另一个想法是通过超冷原子配对形成超冷分子，这需要Feshbach***振动技术。原子态和分子态通常具有不同的能量，它们的能级可以通过磁场和磁矩的相互作用而发生位移。当磁场调整到特定强度(称为* * *振动点)时，原子态和分子态具有相同的能量，可以发生显著的耦合，使部分原子转化为分子。
本研究采用第二种思维方式。研究人员首先在10纳克尔(仅比绝对零度高百分之一度)的温度下制备准二维原子BEC，然后将扫描磁场强度通过19.87高斯的Feshbach***振动点。在这个过程中，约65，438+05%的原子形成了分子(数量约为6，000)。势阱的几何形状和低温有效地降低了非弹性损耗，这是成功制备分子BEC的关键因素之一。郑锦教授还设计了一些方法来增加这些分子bec的稳定性:“分子通常会向各个方向移动，如果不加抑制，它们的稳定性会非常低。因此，我们已经把分子限制在二维平面上，只能向两个方向运动。”这项研究最终首次实现了从原子BEC到分子BEC的转变，得到的分子作用几乎一致且有序。
分子BEC图像
郑锦教授对这群“制服”元素感到非常兴奋，他说他在学生时代就把它作为自己的目标。一些科学家甚至称赞分子BEC类似于量子工程的画纸，其基础应用价值不言而喻。郑锦教授说:“这是一个理想的起点。比如，假设你想建立一个量子系统来存储信息，那么在排序和记录信息之前，你首先需要一个干净的书写平台。”
分子BEC的背景与展望
几十年来，超冷原子和分子物理一直是物理学的热门话题。65438年至0986年，朱棣文和威廉·d·菲利普斯成功捕获并冷却了中性原子，开启了原子物理学的新纪元。这一成果与克劳德·科恩-坦努吉的理论贡献一起，被授予1997诺贝尔物理学奖。1995年，科学家进一步冷却具有玻色子性质的原子，首次观测到原子玻色-爱因斯坦凝聚体。这是一个具有里程碑意义的发现，领导这项实验的埃里克·A·康奈尔、卡尔·E·威曼和沃夫冈·克特勒获得了2001年诺贝尔物理学奖。他在5年内获得了两次诺贝尔奖，这足以让超冷原子分子物理学在学术界站稳脚跟。
在过去的几十年里，超冷原子技术取得了巨大的进步。由于冷原子系统没有杂质和缺陷的特性及其非常灵活的控制能力，在过去的十几年里，冷原子的量子模拟和量子信息取得了巨大的成功，尤其是冷原子与光晶格的完美结合，大大加深了人们对量子强相互作用系统的认识。物理学家甚至产生了BEC；空间站和火箭；将BEC放入光学晶格中模拟晶体的性质；用BEC模拟宇宙现象和弯曲时空的物理。
然而，原子之间的相互作用通常很弱，是短程范德华相互作用，这带来了一定的局限性。凝聚态系统中很多非常重要的问题，在超冷原子系统中仍然难以实现。这也是为什么一些科学家不再满足于超冷原子，转而在分子层面挑战分子量子气体。
与原子相比，分子具有比原子更丰富的内能级构型，在许多领域的应用前景非常广阔。首先，分子的实验研究可以拓展量子系统的操控和精确测量，利用其丰富的内部结构来检验基本常数的对称性、宇称标准模型的各种扩展等非常基础的物理问题；此外，极性分子气体可以提供一种新的量子多体系统，它具有很强的各向异性偶极相互作用，并且可以很容易地通过外电场进行调节。第三，简并分子气体也使得在极低温度下研究化学反应成为可能。
一般来说，光频标、量子信息、物质波干涉仪、量子简并特性等传统研究领域，以及分子间可控相互作用、电场诱导偶极距、手征分子光谱、超冷化学等新的研究方向，都是分子量子气体可以用的地方。这一研究结果无疑是一个敲门砖，将对后续研究有所启发。我们可以看到，中国物理学家朱棣文在这一领域做出了巨大贡献，并获得了诺贝尔奖。今天，中国科学家又一次依靠他们杰出的智慧，为世界科学的发展锦上添花。