新工具“打开”超冷分子的量子气体

JILA的研究人员开发了“打开”超冷分子的量子气体的工具，从而可以控制长距离分子相互作用，以进行潜在的应用，例如为量子计算和模拟编码数据。

将分子气体微调到最低能量状态的新方案称为量子简并性，同时抑制最终破坏分子的化学反应，这使得探索所有分子相互相互作用的奇特量子态成为可能。

这项研究在12月10日的《自然》杂志上有描述。JILA是美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所。

NIST / JILA研究员Jun Ye说：“分子因其长距离相互作用而广受赞誉，这可能引起奇异的量子物理学和量子信息科学中的新颖控制。” “但是，直到现在，还没有人想出如何在散装气体中打开这些远程相互作用。”

“现在，所有这些都改变了。我们的工作首次表明，我们可以打开电场来操纵分子相互作用，让它们进一步冷却，并开始探索将所有分子相互耦合的集体物理学。 ”

这项新工作是对叶先生先前在超冷量子气体方面取得的许多成就的补充。长期以来，研究人员一直试图以与控制原子相同的方式来控制超冷分子。分子提供了其他控制方式，包括极性（即相反的电荷）以及许多不同的振动和旋转。

JILA实验在高于绝对零值（约273摄氏度或华氏459度）以上250纳米开尔 的温度下产生了约20,000个捕获的钾potassium分子的致密气体。至关重要的是，这些分子是极性的，,原子带正电荷，钾原子带负电荷。这些正电荷和负电荷之间的差异（称为电偶极矩）使分子的行为像对某些力（在这种情况下为电场）敏感的罗盘磁铁一样。

当气体冷却到接近绝对零时，分子停止像颗粒一样运转，而是像重叠的波一样运转。分子之所以分开是因为它们是费米子，费米子是一类粒子，它们不能同时处于相同的量子状态和位置，因此彼此排斥。但是它们可以通过重叠的波，电偶极矩和其他特征在远处相互作用。

过去，JILA的研究人员通过使用磁场和激光处理包含两种原子的气体来创建分子的量子气体。这次，研究人员首次将气体原子的混合物装入由激光（称为光学晶格）形成的薄薄煎饼状陷阱的垂直堆栈中，沿垂直方向将原子紧密地约束。然后研究人员使用磁场和激光将成对的原子结合在一起成为分子。剩余的原子被加热并通过调谐激光来去除，以激发每种原子类型所独有的运动。

然后，分子云位于由两个玻璃板和四个钨棒形成的新的六电极组件的中心，研究人员产生了可调电场。

电场引起稳定气体的分子之间的排斥相互作用，从而减少了非弹性（“不良”）碰撞，在碰撞中分子发生化学反应并从阱中逸出。该技术在抑制化学反应的同时，将弹性（“良好”）相互作用的速率提高了一百倍以上。

这种环境允许将气体有效地蒸发冷却到低于量子简并化开始的温度。冷却过程从晶格陷阱中除去了最热的分子，并通过弹性碰撞使其余分子调节到较低的温度。在几百毫秒内缓慢打开水平电场会降低一个方向的陷阱强度，足够长的时间使热分子逸出而其余分子冷却。在此过程结束时，分子返回到最稳定的状态，但现在处于更浓的气体中。

新的JILA方法可用于用其?他类型的极性分子制造超冷气体。

超冷分子气体可能有许多实际用途，包括使用极性分子作为量子位进行量子计算的新方法；模拟和更好地理解量子现象，例如巨大的磁阻（用于改进数据存储和处理）和超导性（用于完美高效的电力传输）；以及用于精确测量的新工具，例如分子钟或分子系统，可以搜索新的物理理论。