近日，華人物理學(xué)家在量子物理領(lǐng)域取得了重大突破。來自芝加哥大學(xué)與山西大學(xué)的研究人員，首次通過原子玻色-愛因斯坦凝聚體產(chǎn)生了具有固有角動(dòng)量的分子玻色-愛因斯坦凝聚體。在這種方法下，數(shù)千個(gè)分子共享同一個(gè)量子態(tài)，步履一致地翩翩起舞。該成果突破了學(xué)界攻堅(jiān)數(shù)十年的技術(shù)難題，具有巨大的基礎(chǔ)應(yīng)用價(jià)值，有科學(xué)家將其稱譽(yù)為“量子工程的繪圖紙”。

論文于2021年4月28日發(fā)表在nature上，通訊作者為芝加哥大學(xué)金政教授；第一單位為芝加哥大學(xué)，第二單位為山西大學(xué)；

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein Condensation，BEC）是愛因斯坦在1924年預(yù)言的一種物質(zhì)形態(tài)，是一種十分神奇的物態(tài)。BEC要求在理想氣體中將玻色所提出的光子量子統(tǒng)計(jì)規(guī)律推廣到原子層面，且只發(fā)生在全同玻色子之中。

所謂“全同”不僅指這些玻色子的內(nèi)稟屬性一樣（如具有相同質(zhì)量，相同數(shù)量的電荷等），它還要求原子內(nèi)部的能態(tài)也一樣。當(dāng)溫度十分低、每個(gè)粒子的德布羅意波長足夠長的時(shí)候，這些粒子的物質(zhì)波分布會(huì)發(fā)生重疊，粒子會(huì)開始“彼此不分”。因此，處在BEC狀態(tài)的原子云，其每個(gè)原子都將按照相同的方式同步運(yùn)動(dòng)，因此可將它們視作一個(gè)巨大的單一原子，用同一個(gè)波函數(shù)來描述其狀態(tài)，這就是所謂的共享同一量子態(tài)。

在歷史上，科學(xué)家們首先通過稀薄堿金屬氣體實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦的這一推論，在原子層面制備出了BEC。但是，由于分子具有復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制備分子BEC難度要大得多。

目前制備分子BEC的思路有二：一是采用激光冷卻技術(shù)冷卻分子，但這需要設(shè)置比制備原子BEC時(shí)更復(fù)雜的冷卻光束，而且分子更多的能級(jí)結(jié)構(gòu)也帶來了更多的損耗通道，因此對(duì)分子穩(wěn)定性提出了較高的要求。科學(xué)家們已經(jīng)沿著這一思路進(jìn)行了許多巧妙的嘗試。

另一條思路是利用超冷原子配對(duì)形成超冷分子，這需要運(yùn)用Feshbach共振技術(shù)。原子態(tài)和分子態(tài)通常有不同的能量，利用磁場和磁矩的相互作用可以移動(dòng)它們的能級(jí)。當(dāng)磁場調(diào)節(jié)到特定的強(qiáng)度（稱為共振點(diǎn)）時(shí)，原子態(tài)與分子態(tài)能量相同，可以發(fā)生顯著的耦合，從而使一部分原子轉(zhuǎn)化為分子。

本次研究采取的是第二種思路。研究人員首先制備了準(zhǔn)二維的原子BEC，其溫度為10納開（僅比絕對(duì)零度高一億分之一度），然后令掃描磁場強(qiáng)度經(jīng)過19.87高斯這一Feshbach共振點(diǎn)，在該過程中約有15%的原子形成了分子（數(shù)量約6000個(gè)）。勢(shì)阱的幾何形狀和低溫有效減少了非彈性損失，是分子BEC成功制備的關(guān)鍵因素之一。

金政教授還設(shè)計(jì)了一些方法增加這些分子BEC的穩(wěn)定性：“分子通常會(huì)向各個(gè)方向移動(dòng)，如果放任不管，其穩(wěn)定性就會(huì)很低。因此我們限制了分子，令其處于一個(gè)二維平面，只能朝兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。” 該研究最終首次實(shí)現(xiàn)了原子BEC向分子BEC的轉(zhuǎn)化，這些得到的分子行動(dòng)幾乎完全一致，秩序井然。

這組行動(dòng)“整齊劃一”的分子，令金政教授十分興奮，他表示他在學(xué)生時(shí)代就以此作為目標(biāo)。更有科學(xué)家稱譽(yù)分子BEC就類似于量子工程的繪圖紙，其基礎(chǔ)應(yīng)用價(jià)值不言而喻。金政教授說：“這是一個(gè)理想的起點(diǎn)。比如，假設(shè)你要構(gòu)建存儲(chǔ)信息的量子系統(tǒng)，那么在訂制、記錄信息之前，首先需要的是一個(gè)干凈的書寫平臺(tái)。”

分子BEC的背景與前景

超冷原子分子物理成為物理熱門已有幾十年。1986年，朱棣文與William D. Phillips成功捕捉、冷卻中性原子，為原子物理開啟了新的紀(jì)元。這項(xiàng)成就與Claude Cohen-Tannoudji作出的理論貢獻(xiàn)一起，被授予了1997年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

1995年，科學(xué)家將具有玻色子性質(zhì)的原子進(jìn)一步冷卻，首次觀察到了原子玻色-愛因斯坦凝聚體。這是一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，主導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)的Eric A. Cornell、Carl E. Wieman與Wolfgang Ketterle則因此獲得了2001年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。五年之間摘獲兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，這樣的成績已足以令超冷原子分子物理在學(xué)界站穩(wěn)腳跟。

幾十年來，超冷原子技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展。由于冷原子體系沒有雜質(zhì)和缺陷的特性及其非常靈活的調(diào)控能力，過去十幾年，冷原子量子模擬、量子信息等方向已經(jīng)取得了巨大的成功，特別是冷原子和光晶格的完美結(jié)合，大大地加深了人們們對(duì)量子強(qiáng)相互作用體系的理解。物理學(xué)家甚至在空間站和火箭上產(chǎn)生BEC；把BEC放進(jìn)光學(xué)晶格，模擬晶體的性質(zhì)；用BEC模擬宇宙學(xué)現(xiàn)象和彎曲時(shí)空的物理。

但是，原子間的相互作用通常是很弱且短程的范德華作用，這些特性帶來了一些限制， 很多凝聚態(tài)體系中非常重要的問題，目前在超冷原子體系中還很難實(shí)現(xiàn)。這正是一些科學(xué)家們不再滿足于超冷原子，轉(zhuǎn)而向分子層面的分子量子氣體（Molecular quantum gases）發(fā)起挑戰(zhàn)的原因。

相較原子，分子擁有較原子更豐富的內(nèi)部能級(jí)構(gòu)型，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用前景都非常廣闊。首先，對(duì)于分子的實(shí)驗(yàn)研究可以擴(kuò)展對(duì)于量子體系的操控和精密測量，利用其豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以檢驗(yàn)諸如基本常數(shù)對(duì)稱性和宇稱標(biāo)準(zhǔn)模型的各種擴(kuò)展等很基本的物理問題；再則，極性分子氣體能夠提供一類新的量子多體系統(tǒng)，它具有很強(qiáng)的各向異性的偶極相互作用，并且可以很容易地通過外電場來調(diào)節(jié)相互作用；第三，簡并分子氣體還使得研究極低溫的化學(xué)反應(yīng)成為可能。

概括而言，傳統(tǒng)研究領(lǐng)域如光頻標(biāo)、量子信息、物質(zhì)波干涉儀和量子簡并特性等，新的研究方向如分子間的可控相互作用、電場誘導(dǎo)的電偶極距、手性分子光譜和超冷化學(xué)等，都是分子量子氣體的用武之地。而本次研究成果無疑帶有敲門磚的性質(zhì)，為后續(xù)研究給予啟發(fā)。我們能夠看到，華人物理學(xué)家朱棣文曾經(jīng)在該領(lǐng)域作出巨大貢獻(xiàn)，并得到了諾獎(jiǎng)的肯定；而今天，華人科學(xué)家再度憑借卓越智慧，為世界科學(xué)發(fā)展錦上添花。

編輯：jq