雷射冷卻三原子分子至超低溫

2020-11-23 OFweek維科網

含有三個原子的分子第一次被雷射冷卻到超低溫。這是由美國哈佛大學的John Doyle和同事們所完成的,他們使用了一種名為Sisyphus的冷卻技術,冷卻大約一百萬個氫氧化鍶分子至750μK。該團隊表示,這項工作為一系列應用開闢了道路,包括量子模擬和精密測量。

在冷卻過程中攝取的羥基鍶分子圖像。分子密度最高的紅色光斑直徑大約為4mm

用雷射將原子氣體冷卻到超低溫,最早出現在20世紀70年代後期,徹底改變了物質量子態的研究。1995年在實驗室製造了首例Bose- Einstein冷凝物, 2003年製造了第一個Fermi–Dirac冷凝物是這一技術的兩個重要裡程碑。該技術依賴於光子攜帶少量動量的事實,並且在某些條件下,原子重吸收和再發射光子可以減少其隨機運動並因此降低其溫度。

自由度

分子的旋轉和振動自由度讓分子(而不是原子)雷射冷卻變得複雜,這影響了它們吸收和發射光子。 因此,光子的吸收和發射可以使分子進入不再參與冷卻過程的「黑暗狀態」。儘管存在諸多挑戰,耶魯大學的David DeMille和同事們在2014年仍設法用雷射冷卻氟化鍶雙原子分子。

在這項最新的工作中,哈佛大學的John Doyle及其同事現在已經冷卻了三原子羥基鍶分子,該方法是以希臘英雄Sisyphus命名的,Sisyphus被迫將一塊巨石推上山頂,只為它再滾下去,然後往往復復這項工作直到永遠。Sisyphus冷卻過程就是分子通過「攀爬」由雷射駐波產生的勢能山而損失動能的過程。

當它們自發地躍遷不再與光相互作用的狀態時,原子達到「峰值」。在這一點上,外加磁場使原子回到原始狀態——準備再次爬升。這個過程重複了很多次,每次循環都會降低原子的動能,從而減少它們的隨機運動和溫度。

快速冷卻

Doyle團隊取得成功的關鍵在於,冷卻過程是在100μs內快速實現的,只涉及約200個光子與每個分子相互作用。這個速度是至關重要的,因為分子在冷卻結束之前不太可能進入黑暗狀態。

Doyle和同事寫道,他們的技術也可用於冷卻更大和更複雜的基於鍶的多原子分子,例如用甲基代替氫氧化物。 如果該技術可以進一步擴展到手性分子,也可以用於研究為什麼一些生物過程有利於右旋或左旋分子。

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