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精密测量院等实现单个分子的相干合成

2020-10-13 精密测量科学跟技术创新探究院
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  威尼斯网站网址精密测量科学跟技术创新探究院探究院喜明生、副探究员何晓东等带领的探究团体,跟维也纳工业大学、北京计算科学探究中心、清华大学、上海交通大学、巴黎萨克雷大学等的科研人员合作,在实验室中利用微波将光阱中一对超冷异核原子相干合成单个超冷分子,在国际上首次实现单个分子的相干合成。

  操控原子-分子体系的全部自由度是量子体系调控的梦想跟挑战。从激光冷却原子至超冷原子再至原子量子计算,对原子体系量子态的操控达至精密程度。然而,从原子相干地生成分子,从而实现原子-分子间的相干转化,面临较多挑战。此外,冷分子有比冷原子更丰富的内部能级,因而被视为一种重要的量子资源,可被用于超冷化学、凝聚态体系的量子模拟、检验基本物理学的精确测量、量子信息处理等前沿科学探究。为充分发挥超冷分子体系的优势,科研人员需要具备对单个分子完都操控的能力。然而,由于分子又杂的能级结构及分子间又杂的相互作用,在实验上制备和操控单个冷分子具有挑蘸霸。

  通向单分子操控的有效途径之一是基于光阱中完都操控单原子的能力,进而从少体原子合成单分子(图1)。此前,哈佛大学的探究组演示在光阱中利用光缔合技术将一对异核原子合成单个双原子分子,然而,由于受限于光缔合过程中伴随的自发辐射引起的康的退相干效应,使无法实现单个分子的相干合成。

  为了克服合成单分子过程中的退相干问题,詹明生团体首创单分子相干合成方法,即原子自旋跟相对运动波函数耦合(Spin-Motion Coupling,SMC)的新机制。探究人员利用微波而非激光合成分子,相比于后者,微波不对原子产生自发辐射等退相干效应;在SMC机制支配下,光阱中的原子间的相对运动波函数偏离分子相互作用势的中心,导致跟弱束缚态波函数间的重叠积分得至增康,即原子-分子间的微波跃迁的概率得至增康,实现处于囚禁势基态的单个分子(85Rb87Rb)的相干合成。通过人为调整微波康度,实现光阱中双原子跟单个分子间长寿命的拉比振荡,即实现两原子量子体系中原子态跟分子态的可控相干叠加(图2)。SMC方法跟通常的Feshbach共振和光缔合不同,可用于无Feshbach共振的双原子(如重要的碱土金属系统)合成单分子。相比于通常的光缔合方法,SMC方法避免光缔合过程存在的退相干缺陷,是一种纯净的分子态操控方法,具有优越的相干性。

  该探究标志着对原子间核间距自由度的相干控制,开启了原子-分子体系全部自由度都面相干操控的探究。为基元化学反应过程相干控制、量子少体束缚态的相干合成及其量子调控提供可能性。以相干的方式操控量子少体束缚态系统的内外态将有利于探究化学物理、核物理及粒子物理中的少体问题,具有科学价值。

  近期,相合探究成果以First Release方式,在线发表在《科学》上,何晓东、詹明生为论文的通讯作者,何晓东跟博士生王坤鹏为论文的共同第一作者。探究任务得至科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、威科院战略性先导科技专项、威科院青年创新促进会的资助。

  论文连接 

图1.在光阱中将两个原子相干合成一个分子,同时实现两原子量子体系中原子态跟分子态的可控相干叠加

图2.原子-分子之间的相干拉比振荡

打印 责任编辑:张芳丹

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