哈佛团队使用激光冷却多原子分子

时间:2020-09-15 14:39来源:光粒网作者:yeyan 点击:
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摘要:发射激光并用光轰击超冷分子后,科学家们聚集在相机周围检查结果。通过观察分子的扩展程度,他们几乎立即就能知道自己是否处在正确的轨道上,从而成为第一个冷却(又称减速)的特别复杂的六原子分子,只用光就不会减速,从而在量子科学中开辟了新的道路。

关键字:激光,激光技术

  发射激光并用光轰击超冷分子后,科学家们聚集在相机周围检查结果。通过观察分子的扩展程度,他们几乎立即就能知道自己是否处在正确的轨道上,从而成为第一个冷却(又称减速)的特别复杂的六原子分子,只用光就不会减速,从而在量子科学中开辟了新的道路。
 
  哈佛大学Doyle研究小组的博士后研究员Debayan Mitra表示:“当我们开始该项目时,我们很乐观,但不确定是否会看到会显示出非常戏剧性的效果。” “我们认为我们将需要更多的证据来证明我们实际上正在冷却分子,但是当我们看到信号时,就像'是的,没有人会对此表示怀疑。' 它很大,就在那儿。”
 
哈佛团队使用激光冷却多原子分子
 
  由Mitra和研究生Nathaniel B. Vilas领导的这项研究是《科学》杂志上发表的一篇新论文的重点。在该小组中,该小组描述了一种使用低温技术和直接激光相结合的新颖方法将非线性多原子分子单甲醇钙(CaOCH3)冷却到刚好超过绝对零值的方法。
 
  科学家认为,他们的实验标志着这种大型复杂分子首次使用激光冷却,并表示这为量子模拟和计算,粒子物理学和量子化学开辟了新的研究途径。
 
  “这类分子在化学和生物系统中具有无处不在的结构,” 该论文的资深作者,亨利·B·西尔斯比(Henry B. Silsbee)物理学教授约翰·多伊尔(John M. Doyle)说。“完美地控制它们的量子态是基础研究,可以揭示这些自然构造基元中的基本量子过程。”
 
  在约翰·道尔(John Doyle)的实验室内(如图),哈佛大学的研究人员是第一个使用光冷却多原子分子的。 Kris Snibbe /哈佛档案照片
 
  自1960年代以来,就开始使用激光来控制原子和分子以及量子计算机的最终组成部分,自那以后,它就彻底改变了原子,分子和光学物理学。
 
  该技术实质上是通过向原子和分子发射激光,使它们吸收光中的光子,然后沿相反方向反冲而起作用的。最终,这会使它们放慢速度,甚至使它们停止前进。当这种情况发生时,量子力学就成为描述和研究其运动的主要方式。
 
  多伊尔说:“想法是,在光谱的一端,原子具有很少的量子态。” 因此,这些原子很容易被光控制,因为它们在吸收和发射光后通常保持相同的量子态。“对于分子,它们具有原子中不会发生的运动-振动和旋转。当分子吸收并发光时,此过程有时会使分子旋转或内部振动。当发生这种情况时,它现在处于不同的量子状态,并且吸收和发射光不再起作用(以冷却它)。我们必须'降低分子',摆脱它的额外振动,然后它才能以所需的方式与光线相互作用。”

哈佛团队使用激光冷却多原子分子
 
  团队做出最精确的评估科学家(包括隶属于哈佛大学物理系的道尔研究小组 的成员以及哈佛MIT的超冷原子中心的成员) 已经能够利用光冷却许多分子,包括双原子和三原子分子。有两个或三个原子。
 
  另一方面,由于所有的振动和旋转,多原子分子要复杂得多,并且已被证明很难操纵。
 
  为了解决这个问题,研究小组采用了他们率先冷却双原子和三原子分子的方法。研究人员建立了一个密封的低温室,在其中将氦气冷却到四个开尔文以下(比零华氏温度低近450度)。这个腔室实质上起着冰箱的作用,科学家在其中创造了CaOCH3分子。马上,蝙蝠开始以比正常情况慢得多的速度运动,使其成为进一步冷却的理想选择。
 
  接下来是激光。他们打开了分子上的两个相反方向的光束。反向传播的激光引发了一种称为西西弗斯冷却的反应。这种反应的名字源于希腊国王西西弗斯(Sisyphus)的神话,西西弗斯激怒了宙斯(Zeus),注定要在山上滚滚巨石,直到永恒,直到他接近山顶时才滚下。
 
  米特拉说,这种分子在本质上是相同的。当两个相同的激光束朝相反的方向发射时,它们会形成驻波,在某些地方更强,而在其他地方则更弱。该波形成了该分子的隐喻山丘。
 
  该分子“开始于由反向传播的激光束形成的山丘的底部,它开始爬升该山丘是因为它具有一定的动能,而当它缓慢爬升该山丘时,其动能就是它的速度被转换成势能后,它变慢,变慢,变慢,直到到达最慢的山顶为止。”米特拉说。
 
  在这一点上,分子移近光强度高的区域,并且该分子更有可能吸收光子,从而使其回滚到另一侧。Mitra说:“它所能做的就是一次又一次地继续这样做。”
 
  通过查看来自放置在密闭腔室外部的摄像机的图像,科学家们检查了这些分子云在系统中传播时会膨胀多少。云层越窄,动能就越少,因此也就越冷。
 
  进一步分析数据,研究人员发现温度有多冷。他们把它从22毫ikelvin升到了1毫ikelvin –仅比绝对零高出小数点的千分之几。
 
  论文提出了使分子更冷的方法,并讨论了在一系列物理和化学研究领域开辟的途径。科学家们说,这项研究证明了他们的方法可以用来冷却其他精心选择的复杂分子,从而促进量子科学的发展。
 
  Mitra说:“我们在这里所做的就是扩大现有技术水平。” “人们一直在争论我们是否拥有足以在量子水平上控制复杂分子的技术。这个特定的实验只是一个垫脚石。”
 
  这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。
 
【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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