量子力学 分子中最冷的量子气体

JILA研究人员制造了一种长寿命，记录冷却的分子气体，这种气体遵循量子力学的波动模式，而不是普通经典物理学的严格粒子性质。这种气体的产生增加了设计师化学和量子计算等领域进步的可能性。

正如2月22日出版的“科学”杂志报道的那样，该团队在低至50毫微克(nK)的温度下产生了钾 - 铷(KRb)分子的气体。这是开尔文的50亿分之一，或者仅仅是绝对零度以上的微弱，是理论上可能的最低温度。分子处于最低可能的能量状态，构成所谓的简并费米气体。

在量子气体中，所有分子的属性都被限制在特定值或量化，如梯子上的梯级或音阶上的音符。将气体冷却到最低温度可使研究人员最大程度地控制分子。所涉及的两个原子属于不同的类别：钾是费米子(具有奇数个亚原子组分，称为质子和中子)，铷是玻色子(具有偶数个亚原子组分)。得到的分子具有费米特征。

JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。NIST的研究人员多年来一直致力于理解和控制超冷原子分子，这些分子比原子更复杂，因为它们不仅具有许多内部能量水平，而且还能旋转和振动。JILA团队10年前制造了他们的第一个分子气体。

“制造气体的基本技术与我们之前使用过的技术相同，但我们有一些新的技巧，例如显着改善原子的冷却，在最低能量状态下创造更多的原子，”NIST / JILA吴烨研究员说。“这样可以提高转换效率，从而获得更多分子。”

JILA团队在250 nK时产生了100,000个分子，在50 nK时产生了多达25,000个分子。

在此之前，最冷的双原子分子最多产生数万个，温度不低于几百纳开尔文。他说，JILA最新的气体温度记录远远低于量子效应从经典效应开始取代的水平(约三分之一)，并且分子持续几秒钟 - 显着的长寿。

新气体是第一个变冷和密度足以使这些分子的物质波长于它们之间的距离，使它们彼此重叠以形成新的实体。科学家称之为量子退化。(量子物质可以表现为粒子或物质波，即粒子位置概率的波形模式)。

量子简并还意味着铁离子粒子之间的排斥力增加，这些粒子往往是孤立的，导致更少的化学反应和更稳定的气体。Ye说，这是第一个科学家观察到集体量子效应直接影响单个分子化学的实验。

“这是大量稳定分子的第一个量子简并气体，化学反应被抑制 - 这是没有人预测到的结果，”Ye说。

在该实验中产生的分子称为极性分子，因为它们在铷原子上具有正电荷并且在钾原子上具有负电荷。它们的相互作用随方向而变化，可以用电场控制。与中性粒子相比，极性分子因此提供更多可调的，更强的相互作用和额外的控制“旋钮”。

这些新的超低温度将使研究人员能够比较量子与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位的量子计算的新方法，以及新的精密测量工具，如分子钟。

制造分子的过程始于由激光束限制的非常冷的钾和铷原子的气体混合物。通过在原子上扫描精确调谐的磁场，科学家们创造了大的，弱结合的分子，其中包含每种类型的一个原子。Ye的同事，已故的Deborah Jin在她2003年世界上第一台费米冷凝物的演示中开创了这项技术。

为了将这些相对蓬松的分子转化为紧密结合的分子而不加热气体，科学家们使用两种不同频率的激光 - 每种激光在分子中产生不同的能量跃迁 - 将结合能转化为光而不是热。分子吸收近红外激光并释放红光。在此过程中，90%的分子通过中间能态转换为最低和最稳定的能级。

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