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数千个分子齐声共舞!量子物理学又达到一个重要里程碑

2021-05-02 14:55 前瞻网   

 

数千个分子齐声共舞!量子物理学又达到一个重要里程碑

数以千计的分子被诱导共享相同的量子态,像一个巨大的超分子一样齐声共舞,是量子物理学的一个重要里程碑。尽管这是物理学家们长期以来追求的目标,但是要使一堆不守规矩的分子协同工作就像放牧一群猫咪一样困难。

许多粒子共同充当一个大粒子(共享其量子态)的概念并不是一个新概念。科学界已经实现了这一目标,并用称为玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein)的单原子云进行了数十年的实验。

它们是由冷却到仅比绝对零高一点(但没有达到绝对零,此时原子停止移动)的原子形成的。这导致它们陷入最低能量状态,移动极其缓慢,以至于它们的能量差消失,从而导致它们在量子叠加中重叠,形成一个高密度的原子云,就像一个“超级原子”或物质波一样起作用。

但是,分子是由结合在一起的多个原子组成的,这比单原子叠加的驯服难度要大得多。

芝加哥大学的物理学家Chin Cheng说:“原子是简单的球形物体,而分子可以振动,旋转,携带小磁铁,”“因为分子可以做很多不同的事情,所以它们更有用,但同时也更难控制。”

为了创建分子的玻色-爱因斯坦凝聚物,由来自芝加哥大学的物理学家张振东(音译)领导的团队首先使用含有6万个铯原子的气体作为原子的玻色-爱因斯坦凝聚物。

接下来,他们进一步冷却了冷凝液并倾斜了磁场,使约15%的铯原子碰撞并成对结合在一起,形成了铯分子。未结合的原子从陷阱中弹出,并施加磁场梯度以使剩余的分子悬浮并约束为二维结构。

Chin说:“通常,分子要向各个方向移动,如果允许的话,它们的稳定性就会大大降低。” “我们限制了分子,使它们在2D表面上并且只能在两个方向上移动。”产生的气体分子都具有相同的量子态,相同的自旋,取向和振动。

分子的玻色-爱因斯坦凝聚物能做什么仍是未可知,但这项研究是朝着这个方向迈出的重要一步,为将来的实验提供了一块空的画布。

不仅对于分子缩合物本身,而且对于原子和分子的玻色-爱因斯坦缩合物之间的过渡。探索其工作原理将有助于科学家简化流程,因此我们可以开发出与其他分子的冷凝物,这些冷凝物对于不同的技术应用而言可能更易于维护或更有效。

“在传统的方法来思考化学,你想想几个原子和分子碰撞,形成新的分子,”Chin Cheng说,“但是在量子状态下,所有分子以集体行为共同作用。这为探索分子如何能够共同反应成为一种新型分子开辟了一条全新的途径。”

 

 

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责任编辑: 4126TJ

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