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又一科学技术突破:实现一维多原子分子磁光阱!

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物理 2021-11-27 10:39
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哈佛大学和麻省理工学院超冷原子中心的科学家,开发出一种极性自由基氢氧化钙(CaOH)的一维(1-D)磁光陷阱(MOT),其新研究技术发表在《物理评论快报》期刊上,这项技术通过使用辐射激光冷却技术冷却CaOH来实现。开展这项研究的研究人员之一路易斯·鲍姆(Louis Baum)说:冷分子是极其复杂的系统,可以成为强大的测量工具。

在标准模型之外寻找新的物理,或者是构建复杂的结构,以构建新量子系统并模拟它们的行为。在低温下,甚至能够完全操纵单个分子,控制它们如何与环境和彼此相互作用。受冷分子揭示新物理机制的潜力启发,研究人员开始研究当冷却技术应用于其他化合物或化学物种时会发生什么。虽然有几种产生冷分子的方法,鲍姆和同事们使用了直接激光冷却,这在过去十年里被证明是特别有效的。

随着控制双原子分子能力的增强,研究人员很想将同样适用于简单分子的激光冷却技术扩展到更大、更具化学多样性的物质。即使从双原子分子变成像CaOH这样的三原子分子,也大大增加了系统的复杂性,但也带来了新的有趣自由度,可以利用这些新的自由度,进行一些令人兴奋的实验。在新实验中,研究人员能够通过观察分子束宽度的微小变化来演示一维MOT,分子束的宽度与他们使用的分子的横向温度相对应。

MOT本质上是通过重复散射光子来工作的,然后这些散射光子中的每一个,都会向囚禁在陷阱内的分子传递一股小小的动量。 通过磁场和偏振激光的精心组合,可以控制哪些分子会受到这些打击。 当瞄准最快的分子和陷阱外部附近的分子时,该系统既提供冷却又提供陷阱。 然而,在分子中,同样的内部复杂性使 它们变得有趣,使得散射大量光子变得困难。 到目前为止,大量光子通过复杂分子的散射,被证明是非常具有挑战性的。

这主要是因为当分子散射光子时,它们会衰变到激发的振动状态,这是激光无法解决的问题。这最终可能导致分子在陷阱内丢失。新研究实现的一维MOT弥补了这种不良影响,因此,研究人员提供了第一批通过散射数百个光子来操纵分子的具体例子之一。研究不仅证明了以前开发的技术,可以应用于多原子系统的原理,而且还表明:发现了一类分子,尽管它们的内部复杂性,可以散射超过2000个光子。

此外,知道分子处于哪种振动状态,所以可以恢复它们。仅仅通过使用一些额外的激光,预计该方法应该能够散射超过10000个光子。这意味着在未来的实验中,该新方法也有可能扩大到涵盖所有三个维度。大约十年前,物理学家认为直接激光冷却多原子分子是不可行的,新研究增加了一系列证据,表明冷却这些复杂分子实际上是可能的。研究人员即将到来的进展,将为探索物理学和量子化学前沿提供一个新的实验平台。

人们可以想象将单个分子加载到光镊子中,并为量子模拟或计算建立新的平台。在接下来的研究中,研究人员还想研究基本的碰撞过程:当两个分子碰撞时,量子水平上会发生什么,这一点仍然知之甚少。碰撞研究最终可能为蒸发冷却技术的发展铺平道路,这可能会使更极端的冷却成为可能,并可能产生一种多原子分子的简并量子气体。研究团队还完成了一些工作,将激光冷却扩展到更大的一甲基氧化钙(CaOCH3),这表明该技术可以推广到与化学甚至生物相关的分子。

博科园|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

参考期刊《物理评论快报》

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