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科學研究：分子激光冷卻的新方法
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科學研究：分子激光冷卻的新方法
圖片來源：Pixabay
幾十年來，對超低溫原子的研究推動基礎和應用量子科學取得了重大進展，實現了從觀察物質新形態到尋找新的作用力和基本粒子的飛躍。 最近，量子科學界正為能從研究受控量子相互作用中可能得到的結果而興奮。由於其多出來的複雜性，分子具有更多的自由度，為研究新的奇異現象提供了更多可能性。然而，這種額外的複雜性意味著不能直接通過現有方法將分子冷卻到超低溫。 如今，科羅拉多大學博爾德分校的葉軍和他的同事展示了一種利用分子結構特性的、具有一個核自旋和一個電子駐留在相同能級上的新型激光冷卻技術，實驗中使用的是一氧化釔（YO）中的釔原子。利用釔原子的不尋常結構，該團隊使氣體分子在激光冷卻中達到了超低溫和破紀錄的高密度。
將分子冷卻到量子狀態，即足夠保護精密量子態不受隨機熱效應影響的低溫，在量子化學、多體物理和基礎物理中的應用不勝枚舉。 例如，極性分子為量子模擬提供了一個很有實用前途的平台，它們的電偶極矩能提供強大且和可調和的相互作用。極性分子對高能物理也有很敏銳的影響：它們內部巨大的電磁場會放大假設的電磁相互作用，而經預測這種相互作用可以解決宇宙中物質-反物質不對稱的問題。 同時，極性分子的化學鍵使研究人員得以研究受控量子化學，從而通過化學反應觀察到定義明確的量子態。
目前，在幾乎所有的原子量子實驗中，實驗所需的超低溫都是通過激光冷卻技術來實現的。該技術利用在原子氣體中反複散射激光光子來提供粘性阻尼力。這種與摩擦力十分類似的力會推動原子運動，從而冷卻氣體。 同樣的方法不能輕易用分子來實現，因為分子有內部結構，這意味著散射光子可能（而且經常會）使分子旋轉或振動。 換言之，散射光子會向分子中注入能量並停止繼續冷卻。
圖片來源：Pixabay
在過去的十年中，幾個團隊（包括葉軍的團隊）已經克服了這些問題，並實現了對幾種分子的激光冷卻和捕獲，其中包括氟化鍶（SrF）、氟化鈣（CaF）和氧化釔（YO）。這些分子都具有特別適合激光冷卻的電子結構，其特征是含有一個價電子表現得就像它隻與金屬原子結合一樣。這種電子局域化的結果之一是電子有很大概率會與分子運動解耦，並且由激光激發的電子躍遷不太可能產生不必要的內部模式。 然而，與氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF）中的金屬原子不同的是，氧化釔（YO）中的釔原子具有核自旋，這導致了強電子-原子核相互作用。與氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF）相比，這種“費米接觸”相互作用產生了相當不同的電子結構，改變了整個分子的磁性。葉軍和他的同事利用這些改變的磁特性設計了一種全新的冷卻方案。
通過與光子相互作用而被冷卻的分子在其激發態自發衰減時會再次升溫，並將吸收的光子在隨機方向上重新發射。 這一過程為簡單地使用激光冷卻所能達到的溫度設定了一個下限，稱為多普勒極限（the Doppler Limit）。 海森堡能量-時間不確定原理表明，這些隨機、自發的光子發射事件之間需要更長的時間尺度，以獲得更低的能量，從而降至更低的溫度。因此，低於多普勒極限的冷卻方法依賴於製造比短壽命的激發電子態持續更長時間的相幹量子態。磁場可能會擾亂分子的波函數，並破壞這種相幹性，此技術被稱為磁光阱（MOTs），它以消耗更高的溫度為代價，利用磁場來控製和壓縮分子。
圖片來源：Pixabay
科羅拉多小組的方案對這些磁場並不那麽敏感，因為氧化釔中強烈的電子-原子核相互作用使電子和原子核“配對”，從而抵消它們的磁矩。 這使得研究人員可以在不損害亞多普勒方法冷卻效果的前提下運用磁光阱（MOTs）。並且，此現象允許研究人員將超低溫與高密度相結合。利用該技術，研究人員通過亞多普勒方法將氟化鈣（CaF）降至了接近5微開爾文的低溫，先前的低溫冷卻記錄保持者見鏈接，該團隊氟化鈣（CaF）的密度要比先前高出約4倍。在相空間密度，即一種基於分子德布羅意波重疊程度的氣體“量子”程度衡量標準方麵，葉軍的團隊打破了自由空間分子的記錄， 這使得他們的超低溫氧化釔（YO）氣體比其他研究人員的分子更接近量子狀態。
這種具有高相空間密度的受製極性分子是強相互作用-量子係統研究的前沿，因為強偶極-偶極相互作用在分子氣體中比在原子氣體中更穩健。 為了實現這一特性所帶來的許多令人興奮的應用，研究人員需要控製光學偶極子或光鑷阱中的超低溫氣體。與磁光阱（MOTs）不同的是，這些“保守的”阱可以長時間控製超低溫氣體，而不會改變分子的內部狀態。運用這些阱需要亞多普勒溫度和極高密度， 因此，該小組的新方法在這方麵將極為有用。
實現破記錄的高密度本身就值得關注； 氧化釔（YO）的利用為分子物理學提供了獨特的機會。 例如，使用氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF），研究人員隻能獲得具有單氟鍵的分子。 作為首個超低溫氧化物，氧化釔（YO）具有與眾不同的雙鍵，這使其成為超低溫化學反應的研究中一種引人注目的分子。此外，雖然實現這些新方法的氧化釔（YO）結構與現有的激光冷卻分子不同，但它在所有分子中並不是唯一的。 重要的是，和氧化釔（YO）相似地，許多其他可以用這種新方法冷卻的極性物質也包括一種具有核自旋的重金屬。由於較重的物質含有更多的電荷，原子內部電磁場更強，其他超低溫分子可能對原子核相互作用，比如弱力或其他很有可能存在的、標準模型沒有描述的相互作用更加敏感。
作者：Nicholas R. Hutzler
翻譯：葉歡儀
審校：賀旎妮
引進來源：美國物理學會
引進鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/89
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幾十年來，對超低溫原子的研究推動基礎和應用量子科學取得了重大進展，實現了從觀察物質新形態到尋找新的作用力和基本粒子的飛躍。 最近，量子科學界正為能從研究受控量子相互作用中可能得到的結果而興奮。由於其多出來的複雜性，分子具有更多的自由度，為研究新的奇異現象提供了更多可能性。然而，這種額外的複雜性意味著不能直接通過現有方法將分子冷卻到超低溫。 如今，科羅拉多大學博爾德分校的葉軍和他的同事展示了一種利用分子結構特性的、具有一個核自旋和一個電子駐留在相同能級上的新型激光冷卻技術，實驗中使用的是一氧化釔（YO）中的釔原子。利用釔原子的不尋常結構，該團隊使氣體分子在激光冷卻中達到了超低溫和破紀錄的高密度。
將分子冷卻到量子狀態，即足夠保護精密量子態不受隨機熱效應影響的低溫，在量子化學、多體物理和基礎物理中的應用不勝枚舉。 例如，極性分子為量子模擬提供了一個很有實用前途的平台，它們的電偶極矩能提供強大且和可調和的相互作用。極性分子對高能物理也有很敏銳的影響：它們內部巨大的電磁場會放大假設的電磁相互作用，而經預測這種相互作用可以解決宇宙中物質-反物質不對稱的問題。 同時，極性分子的化學鍵使研究人員得以研究受控量子化學，從而通過化學反應觀察到定義明確的量子態。
目前，在幾乎所有的原子量子實驗中，實驗所需的超低溫都是通過激光冷卻技術來實現的。該技術利用在原子氣體中反複散射激光光子來提供粘性阻尼力。這種與摩擦力十分類似的力會推動原子運動，從而冷卻氣體。 同樣的方法不能輕易用分子來實現，因為分子有內部結構，這意味著散射光子可能（而且經常會）使分子旋轉或振動。 換言之，散射光子會向分子中注入能量並停止繼續冷卻。
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在過去的十年中，幾個團隊（包括葉軍的團隊）已經克服了這些問題，並實現了對幾種分子的激光冷卻和捕獲，其中包括氟化鍶（SrF）、氟化鈣（CaF）和氧化釔（YO）。這些分子都具有特別適合激光冷卻的電子結構，其特征是含有一個價電子表現得就像它隻與金屬原子結合一樣。這種電子局域化的結果之一是電子有很大概率會與分子運動解耦，並且由激光激發的電子躍遷不太可能產生不必要的內部模式。 然而，與氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF）中的金屬原子不同的是，氧化釔（YO）中的釔原子具有核自旋，這導致了強電子-原子核相互作用。與氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF）相比，這種“費米接觸”相互作用產生了相當不同的電子結構，改變了整個分子的磁性。葉軍和他的同事利用這些改變的磁特性設計了一種全新的冷卻方案。
通過與光子相互作用而被冷卻的分子在其激發態自發衰減時會再次升溫，並將吸收的光子在隨機方向上重新發射。 這一過程為簡單地使用激光冷卻所能達到的溫度設定了一個下限，稱為多普勒極限（the Doppler Limit）。 海森堡能量-時間不確定原理表明，這些隨機、自發的光子發射事件之間需要更長的時間尺度，以獲得更低的能量，從而降至更低的溫度。因此，低於多普勒極限的冷卻方法依賴於製造比短壽命的激發電子態持續更長時間的相幹量子態。磁場可能會擾亂分子的波函數，並破壞這種相幹性，此技術被稱為磁光阱（MOTs），它以消耗更高的溫度為代價，利用磁場來控製和壓縮分子。
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科羅拉多小組的方案對這些磁場並不那麽敏感，因為氧化釔中強烈的電子-原子核相互作用使電子和原子核“配對”，從而抵消它們的磁矩。 這使得研究人員可以在不損害亞多普勒方法冷卻效果的前提下運用磁光阱（MOTs）。並且，此現象允許研究人員將超低溫與高密度相結合。利用該技術，研究人員通過亞多普勒方法將氟化鈣（CaF）降至了接近5微開爾文的低溫，先前的低溫冷卻記錄保持者見鏈接，該團隊氟化鈣（CaF）的密度要比先前高出約4倍。在相空間密度，即一種基於分子德布羅意波重疊程度的氣體“量子”程度衡量標準方麵，葉軍的團隊打破了自由空間分子的記錄， 這使得他們的超低溫氧化釔（YO）氣體比其他研究人員的分子更接近量子狀態。
這種具有高相空間密度的受製極性分子是強相互作用-量子係統研究的前沿，因為強偶極-偶極相互作用在分子氣體中比在原子氣體中更穩健。 為了實現這一特性所帶來的許多令人興奮的應用，研究人員需要控製光學偶極子或光鑷阱中的超低溫氣體。與磁光阱（MOTs）不同的是，這些“保守的”阱可以長時間控製超低溫氣體，而不會改變分子的內部狀態。運用這些阱需要亞多普勒溫度和極高密度， 因此，該小組的新方法在這方麵將極為有用。
實現破記錄的高密度本身就值得關注； 氧化釔（YO）的利用為分子物理學提供了獨特的機會。 例如，使用氟化鍶（SrF）和氟化鈣（CaF），研究人員隻能獲得具有單氟鍵的分子。 作為首個超低溫氧化物，氧化釔（YO）具有與眾不同的雙鍵，這使其成為超低溫化學反應的研究中一種引人注目的分子。此外，雖然實現這些新方法的氧化釔（YO）結構與現有的激光冷卻分子不同，但它在所有分子中並不是唯一的。 重要的是，和氧化釔（YO）相似地，許多其他可以用這種新方法冷卻的極性物質也包括一種具有核自旋的重金屬。由於較重的物質含有更多的電荷，原子內部電磁場更強，其他超低溫分子可能對原子核相互作用，比如弱力或其他很有可能存在的、標準模型沒有描述的相互作用更加敏感。
作者：Nicholas R. Hutzler
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