科学研究：分子激光冷却的新方法

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几十年来，对超低温原子的研究推动基础和应用量子科学取得了重大进展，实现了从观察物质新形态到寻找新的作用力和基本粒子的飞跃。 最近，量子科学界正为能从研究受控量子相互作用中可能得到的结果而兴奋。由于其多出来的复杂性，分子具有更多的自由度，为研究新的奇异现象提供了更多可能性。然而，这种额外的复杂性意味着不能直接通过现有方法将分子冷却到超低温。 如今，科罗拉多大学博尔德分校的叶军和他的同事展示了一种利用分子结构特性的、具有一个核自旋和一个电子驻留在相同能级上的新型激光冷却技术，实验中使用的是一氧化钇（YO）中的钇原子。利用钇原子的不寻常结构，该团队使气体分子在激光冷却中达到了超低温和破纪录的高密度。
将分子冷却到量子状态，即足够保护精密量子态不受随机热效应影响的低温，在量子化学、多体物理和基础物理中的应用不胜枚举。 例如，极性分子为量子模拟提供了一个很有实用前途的平台，它们的电偶极矩能提供强大且和可调和的相互作用。极性分子对高能物理也有很敏锐的影响：它们内部巨大的电磁场会放大假设的电磁相互作用，而经预测这种相互作用可以解决宇宙中物质-反物质不对称的问题。 同时，极性分子的化学键使研究人员得以研究受控量子化学，从而通过化学反应观察到定义明确的量子态。
目前，在几乎所有的原子量子实验中，实验所需的超低温都是通过激光冷却技术来实现的。该技术利用在原子气体中反复散射激光光子来提供粘性阻尼力。这种与摩擦力十分类似的力会推动原子运动，从而冷却气体。 同样的方法不能轻易用分子来实现，因为分子有内部结构，这意味着散射光子可能（而且经常会）使分子旋转或振动。 换言之，散射光子会向分子中注入能量并停止继续冷却。


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在过去的十年中，几个团队（包括叶军的团队）已经克服了这些问题，并实现了对几种分子的激光冷却和捕获，其中包括氟化锶（SrF）、氟化钙（CaF）和氧化钇（YO）。这些分子都具有特别适合激光冷却的电子结构，其特征是含有一个价电子表现得就像它只与金属原子结合一样。这种电子局域化的结果之一是电子有很大概率会与分子运动解耦，并且由激光激发的电子跃迁不太可能产生不必要的内部模式。 然而，与氟化锶（SrF）和氟化钙（CaF）中的金属原子不同的是，氧化钇（YO）中的钇原子具有核自旋，这导致了强电子-原子核相互作用。与氟化锶（SrF）和氟化钙（CaF）相比，这种“费米接触”相互作用产生了相当不同的电子结构，改变了整个分子的磁性。叶军和他的同事利用这些改变的磁特性设计了一种全新的冷却方案。
通过与光子相互作用而被冷却的分子在其激发态自发衰减时会再次升温，并将吸收的光子在随机方向上重新发射。 这一过程为简单地使用激光冷却所能达到的温度设定了一个下限，称为多普勒极限（the Doppler Limit）。 海森堡能量-时间不确定原理表明，这些随机、自发的光子发射事件之间需要更长的时间尺度，以获得更低的能量，从而降至更低的温度。因此，低于多普勒极限的冷却方法依赖于制造比短寿命的激发电子态持续更长时间的相干量子态。磁场可能会扰乱分子的波函数，并破坏这种相干性，此技术被称为磁光阱（MOTs），它以消耗更高的温度为代价，利用磁场来控制和压缩分子。


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科罗拉多小组的方案对这些磁场并不那么敏感，因为氧化钇中强烈的电子-原子核相互作用使电子和原子核“配对”，从而抵消它们的磁矩。 这使得研究人员可以在不损害亚多普勒方法冷却效果的前提下运用磁光阱（MOTs）。并且，此现象允许研究人员将超低温与高密度相结合。利用该技术，研究人员通过亚多普勒方法将氟化钙（CaF）降至了接近5微开尔文的低温，先前的低温冷却记录保持者见链接，该团队氟化钙（CaF）的密度要比先前高出约4倍。在相空间密度，即一种基于分子德布罗意波重叠程度的气体“量子”程度衡量标准方面，叶军的团队打破了自由空间分子的记录， 这使得他们的超低温氧化钇（YO）气体比其他研究人员的分子更接近量子状态。
这种具有高相空间密度的受制极性分子是强相互作用-量子系统研究的前沿，因为强偶极-偶极相互作用在分子气体中比在原子气体中更稳健。 为了实现这一特性所带来的许多令人兴奋的应用，研究人员需要控制光学偶极子或光镊阱中的超低温气体。与磁光阱（MOTs）不同的是，这些“保守的”阱可以长时间控制超低温气体，而不会改变分子的内部状态。运用这些阱需要亚多普勒温度和极高密度， 因此，该小组的新方法在这方面将极为有用。
实现破记录的高密度本身就值得关注； 氧化钇（YO）的利用为分子物理学提供了独特的机会。 例如，使用氟化锶（SrF）和氟化钙（CaF），研究人员只能获得具有单氟键的分子。 作为首个超低温氧化物，氧化钇（YO）具有与众不同的双键，这使其成为超低温化学反应的研究中一种引人注目的分子。此外，虽然实现这些新方法的氧化钇（YO）结构与现有的激光冷却分子不同，但它在所有分子中并不是唯一的。 重要的是，和氧化钇（YO）相似地，许多其他可以用这种新方法冷却的极性物质也包括一种具有核自旋的重金属。由于较重的物质含有更多的电荷，原子内部电磁场更强，其他超低温分子可能对原子核相互作用，比如弱力或其他很有可能存在的、标准模型没有描述的相互作用更加敏感。
作者：Nicholas R. Hutzler
翻译：叶欢仪
审校：贺旎妮
引进来源：美国物理学会
引进链接：https://physics.aps.org/articles/v13/89


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