激光冷却三原子分子至超低温

kumsing
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含有三个原子的分子第一次被激光冷却到超低温。这是由美国哈佛大学的John Doyle和同事们所完成的,他们使用了一种名为Sisyphus的冷却技术,冷却大约一百万个氢氧化锶分子至750μK。该团队表示,这项工作为一系列应用开辟了道路,包括量子模拟和精密测量。

在冷却过程中摄取的羟基锶分子图像。分子密度最高的红色光斑直径大约为4mm

用激光将原子气体冷却到超低温,最早出现在20世纪70年代后期,彻底改变了物质量子态的研究。1995年在实验室制造了首例Bose- Einstein冷凝物, 2003年制造了第一个Fermi–Dirac冷凝物是这一技术的两个重要里程碑。该技术依赖于光子携带少量动量的事实,并且在某些条件下,原子重吸收和再发射光子可以减少其随机运动并因此降低其温度。

自由度

分子的旋转和振动自由度让分子(而不是原子)激光冷却变得复杂,这影响了它们吸收和发射光子。 因此,光子的吸收和发射可以使分子进入不再参与冷却过程的“黑暗状态”。尽管存在诸多挑战,耶鲁大学的David DeMille和同事们在2014年仍设法用激光冷却氟化锶双原子分子。

在这项最新的工作中,哈佛大学的John Doyle及其同事现在已经冷却了三原子羟基锶分子,该方法是以希腊英雄Sisyphus命名的,Sisyphus被迫将一块巨石推上山顶,只为它再滚下去,然后往往复复这项工作直到永远。Sisyphus冷却过程就是分子通过“攀爬”由激光驻波产生的势能山而损失动能的过程。

当它们自发地跃迁不再与光相互作用的状态时,原子达到“峰值”。在这一点上,外加磁场使原子回到原始状态——准备再次爬升。这个过程重复了很多次,每次循环都会降低原子的动能,从而减少它们的随机运动和温度。

快速冷却

Doyle团队取得成功的关键在于,冷却过程是在100μs内快速实现的,只涉及约200个光子与每个分子相互作用。这个速度是至关重要的,因为分子在冷却结束之前不太可能进入黑暗状态。

Doyle和同事写道,他们的技术也可用于冷却更大和更复杂的基于锶的多原子分子,例如用甲基代替氢氧化物。 如果该技术可以进一步扩展到手性分子,也可以用于研究为什么一些生物过程有利于右旋或左旋分子。

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