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用微波屏蔽超冷分子

已有 1628 次阅读 2021-8-17 21:05 |个人分类:新观察|系统分类:博客资讯

用微波屏蔽超冷分子

诸平

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To shield the molecules, they are exposed to microwaves from an array of antennas. Credit: Radboud University

据位于荷兰奈梅亨市的拉德堡德大学(Radboud University2021813日提供的消息,该校的研究人员与美国哈佛大学(Harvard University)、哈佛-麻省理工超冷原子中心(Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms)、哈佛-史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT)以及韩国高丽大学(Korea University)的研究人员合作,观察了用微波屏蔽超冷原子(Shielding ultracold molecules with microwaves)。相关研究结果于2021813日已经在《科学》(Science)杂志网站发表——Loïc AndereggSean BurcheskyYicheng BaoScarlett S YuTijs KarmanEunmi ChaeKang-Kuen NiWolfgang KetterleJohn M Doyle. Observation of microwave shielding of ultracold molecules. Science, 2021 Aug 13; 373 (6556): 779-782. DOI: 10.1126/science.abg9502

超冷分子在新的量子技术中有着广阔的应用前景。不幸的是,这些分子在相互碰撞时被破坏了。哈佛大学、麻省理工学院、高丽大学和拉德堡德大学的研究人员已经证明,可以通过使用微波引导分子之间的相互作用来防止这些碰撞损失,这种方式使分子相互排斥,因此在碰撞过程中不会彼此靠近。

即将到来的量子技术,如量子计算和量子模拟,现在都是炒作。在捕获离子和里德堡原子阵列(Rydberg atom arrays)等各种平台上,它们的实现取得了巨大的飞跃。超冷分子(Ultracold molecules)是另一个有前途的平台。不幸的是,分子之间的碰撞导致损失,就好像它们是在进行化学反应一样,这限制了在过去十年中冷却分子的能力。美国、荷兰和韩国的一组国际合作研究人员现在已经证明,这些碰撞损失可以通过使用微波来抑制分子之间的排斥相互作用。

消除碰撞损耗和增强弹性碰撞将使分子冷却成量子气体(quantum gas),并使它们在新的量子技术中的应用触手可及。超冷分子的一个独特优势是,分子之间的相互作用可以通过实验室里的一个旋钮,利用外部电场来调节和控制。例如,当分子暴露在微波中时,它们的偶极矩会随着微波振荡。用这种方法,我们可以控制分子偶极矩(molecular dipole moments)之间的相互作用。

偶极矩(dipole moments)不是跟随微波场(microwave field),而是相互连锁,这可能导致分子之间的吸引力或排斥力。分子间的斥力能使它们不能靠得很近。

“通过这种方式,我们可以保护分子免受碰撞损失,”拉德堡德大学的Tijs Karman解释道,他提出了这种方法,他的计算指导了该实验。

实验装置的设计和搭建(Experimental realization

哈佛大学约翰·多伊尔教授(Professor John Doyle)的实验室首次通过实验证明了微波屏蔽(microwave shielding)。该实验使用了一种叫做激光冷却(laser cooling)的技术,将一氟化钙分子(CaF)冷却到100 μK的温度。这些分子随后被储存在由聚焦的激光(focused-down laser light)制成的单独的捕集器中,这种捕集器被称为光镊(optical tweezers)。其中的两个镊子,每个都包含一个分子,然后被合并,以研究恰好两个分子之间的碰撞。为了保护分子,他们暴露在阵列天线的微波下。通过这种方式,物理学家设计了分子之间的排斥作用,以保护它们免受碰撞损失。损失率已减少到原来的1/6

冷却成量子气体分子(Cooling to a quantum gas of molecules

除了抑制碰撞损失,分子之间的斥力,当他们相距很远时,导致快速弹性碰撞(fast elastic collisions)。在这里,弹性碰撞被提高了17倍。这些弹性碰撞对热化(thermalisation)很重要。快速的热化和缓慢的损失正是进一步通过蒸发冷却分子所需要的,这是该领域长期以来的里程碑。因此,这里展示的屏蔽是创建超冷分子(ultracold molecules)量子气体和实现未来量子技术,如量子计算和量子模拟的重要一步。上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道

New tools ‘turn on’ quantum gases of ultracold molecules

Shielding ultracold molecules

Ultracold molecules hold promise for a wide range of exciting applications. However, such applications are currently hampered by the limited number of ultracold molecular ensembles that can be created and by their short lifetimes. Anderegg et al. used a microwave dressing field to tune the collisional properties of calcium monofluoride molecules trapped in optical tweezers. This approach allowed a sixfold suppression of inelastic trap-loss collisions. This scheme paves the way for the creation of a variety of long-lived ultracold molecular ensembles.

Science, abg9502, this issue p. 779

Abstract

Harnessing the potential wide-ranging quantum science applications of molecules will require control of their interactions. Here, we used microwave radiation to directly engineer and tune the interaction potentials between ultracold calcium monofluoride (CaF) molecules. By merging two optical tweezers, each containing a single molecule, we probed collisions in three dimensions. The correct combination of microwave frequency and power created an effective repulsive shield, which suppressed the inelastic loss rate by a factor of six, in agreement with theoretical calculations. The demonstrated microwave shielding shows a general route to the creation of long-lived, dense samples of ultracold polar molecules and evaporative cooling.



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