物理学家创造分子中最冷的量子气体

2022-02-26 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:189 /
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美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的物理学家们已经在低至50纳开尔文的温度下产生了一种钾铷分子气体。这是开尔文的500亿分之一,或者仅仅比绝对零度高一点点。涉及的两个原子属于不同的类别:钾是费米子(具有奇数个亚原子成分,称为质子和中子......

美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的物理学家们已经在低至50纳开尔文的温度下产生了一种钾铷分子气体。这是开尔文的500亿分之一,或者仅仅比绝对零度高一点点。涉及的两个原子属于不同的类别:钾是费米子(具有奇数个亚原子成分,称为质子和中子),铷是玻色子(具有偶数个亚原子成分)。

An artist’s impression of record-cold quantum gas of potassium-rubidium molecules. Image credit: Steven Burrows / JILA.

艺术家对记录的印象——钾铷分子的冷量子气体。图片来源:史蒂文·布伦斯/ JILA。

在量子气体中,所有分子的属性都被限制在特定的值,或者被量子化,就像梯子上的横档或音阶上的音符。

将气体冷却到最低温度可以让物理学家最大限度地控制分子。

“制造这种气体的基本技术与我们以前使用的技术相同,但我们有一些新的技巧,例如显著改善原子的冷却,在最低能量状态下创造更多的原子。这导致了更高的转换效率,所以我们得到了更多的分子,”NIST/JILA的研究员叶军博士说。

在此之前,最冷的两原子分子最多能产生数万个,温度不低于几百nK。

叶博士和他的同事在250 nK时产生了10万个分子,在50 nK时产生了多达25000个分子。

“这一气体温度记录远低于(大约三分之一)量子效应开始取代经典效应,分子持续几秒钟的水平,”叶博士说。

新气体首先变得足够冷和致密,以至于这些分子的物质波比它们之间的距离更长,使它们相互重叠,形成一个新的实体。物理学家称之为量子简并。

量子简并也意味着费米子粒子之间的排斥力增加,费米子粒子无论如何都倾向于孤独,导致更少的化学反应和更稳定的气体。

“这是科学家首次观察到集体量子效应直接影响单个分子化学的实验,”叶博士说。

“而且这也是体稳定分子的第一个量子简并气体,化学反应被抑制& # 8212;这是没有人预料到的结果。”

这个实验中产生的分子被称为极性分子,因为它们在铷原子上带正电荷,在钾原子上带负电荷。它们的相互作用因方向而异,可以用电场来控制。

因此,与中性粒子相比,极性分子提供了更可调、更强的相互作用和额外的控制“旋钮”。

这些新的超低温将使科学家能够比较量子和经典环境中的化学反应,并研究电场如何影响极性相互作用。

最终的实际好处可能包括新的化学过程、使用带电分子作为量子比特的量子计算新方法,以及新的精密测量工具,如分子钟。

研究结果发表在《科学》杂志上。

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Luigi De Marco等人,2019年。极性分子的简并费米气体。科学363(6429):853-856;doi: 10.1126/science.aau7230


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