中科院精密測量院最新Science

4997 人參與      分類 : 科學  

中科院精密測量院最新Science


▲第一作者:何曉東、王坤鵬
通訊作者:何曉東、詹明生

通訊單位:中國科學院武漢物理與數學研究所&中國科學院冷原子物理中心

DOI:10.1038/s41563-020-00821-3

背景

大家有沒有想過,假設在接近絕對零度的溫度下,分子或原子之間能否發生化學反應呢?如果能,那他們之間又是如何發生的呢?即將登場的超冷化學將會告訴你答案!在接近絕對零度的溫度下,分子的化學反應完全由量子力學主導,諸如量子散射、量子統計等量子效應,這將顯著改變化學反應的行為。超冷化學的研究為探索化學反應的機理和動力學提供了前所未有的量子態解析度、能量解析度和可調控性。


自人們通過Feshbach共振在85Rb Bose-Einstein凝聚物中產生了有趣的原子-分子相干耦合後,人們通過Feshbach共振或光締合在氣相和光學晶格中形成了各種類型的超冷雙原子分子,這引起了人們對超冷化學研究、量子自旋模型模擬的極大熱情


自此以後,與超冷分子有關的許多基礎研究例如超冷碰撞和化學強相關量子系統、量子簡併氣體、精密測量和量子模擬、量子計算信息處理等引起了人們極大的關注並都得到了廣泛的研究。超冷單分子化學的發展勢必會推動未來量子通信、量子計算的巨大發展。但通過由原子相干結合成單分子、對原子-分子系統實施完全自由的操控仍然是當前面臨的一個極大挑戰。


自1986年光學鑷子(OTs)誕生以來,其在高水平操控和檢測單粒子方面取得了諸多重要進展。光鑷的開創者Arthur Ashkin也因發明了用激光來操縱微粒的光鑷技術,革命性地實現了「光學鑷子及其在生物系統中的應用」而獲得2018年的諾貝爾物理學獎。


那麼,利用光鑷技術從原子水平進行單分子自下而上的組裝是否能夠解決當前超冷單分子化學面臨的困境呢?

本文亮點

1、本文另闢蹊徑,利用光鑷(OTs)介導產生自旋運動耦合(SMC),將原子自旋耦合到它們的雙體相關運動中,以兆赫茲水平將兩個原子相干地結合成一個弱締合分子。
2、進一步操縱並提高了結合分子的運動水平並精確測量了其結合能。

3、SMC還可以通過納米級波導和納米光子結構的近場光學實現,可以直接應用於形成分子並控制這些系統中的分子-光子相互作用。

4、SMC為全面控制原子-分子系統中的所有自由度打開了大門。

圖文解析

中科院精密測量院最新Science

▲圖1. OTs中的SMC和分子締合示意圖、通過SMC可觀察到兩個原子的邊帶躍遷
要點: 1、超精細狀態F的不同自旋投影mF的原子之間的自旋翻轉微波躍遷可引起空間波函數(da)的位移從而誘導產生原子運動和自旋之間的相互耦合,即SMC。

2、光阱中的SMC導致在微波躍遷中出現邊帶,這類似於依賴狀態光學晶格的情況。

3、SMC存在下原子的微波自旋翻轉躍遷使得有可能操縱兩個原子的相對運動,甚至調節原子-分子的重疊,從而將目標原子可靠地碰撞結合到目標物上。

中科院精密測量院最新Science

▲圖2. 原子-分子躍遷和相干拉比Rabi振蕩、波函數重疊和分子結合能


要點:1、 通過長壽命原子-分子拉比Rabi振蕩證明了原子-分子間的相干性。

2、 實驗測量了它們在自由空間中的結合能以及散射和分子態之間的微分光移。

3、 SMC方法對於在近似相等和較大散射長度的狀態之間的原子-分子轉移特別重要,這之中的直接微波躍遷很弱,而SMC增強起著關鍵作用。4、 為狀態-狀態冷化學的運動狀態控制和少體分子動力學的研究打開了大門,同時該方法還可能會在例如鹼原子-鹼土原子對等有趣的系統中找到應用


原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41563-020-00821-3


作者介紹

中科院精密測量院最新Science

詹明生

詹明生,研究員,1988年於中國科學院安徽光學精密機械研究所獲理學博士學位;1988-1991年,在日本做博士後研究;1995年以來在日本理化學研究所、英國帝國理工學院Blackett實驗室、美國Lawrence Berkeley國家實驗室等機構從事累計超過20個月的合作研究,1997年為英國EPSRC Senior Fellow並受聘為帝國理工學院短期教授。近年來,圍繞冷原子物理與基於原子的量子信息開展研究。在武漢建立了冷原子實驗研究平台,實現了冷原子的雙色電磁誘導透明、冷原子Mach-Zehnder 干涉儀和Ramsey干涉花樣,實現了Rb原子的BEC和單個中性Rb原子的囚禁。主持國家973、基金委重點、中科院重大重點等國家級項目。


中科院精密測量院最新Science

何曉東

何曉東,副研究員。多年來從事中性原子量子計算中的光與原子相互作用、原子間受控相互作用的實驗研究。作為研究組骨幹之一,在物數所從無到有地搭建了單原子實驗平台,開展量子計算中的單比特和雙比特操控實驗工作。累計在國際重要刊物Phys. Rev. Lett.,Nature Communication上發表文章十餘篇。在國際上首次測量了基態原子在矢量光場中的超極化率,以此構造出魔幻光強偶極阱,破解了微分光頻移引發單量子比特轉移中相干性丟失的難題,研究結果發表在Phys. Rev. Lett.上。