【消費(fèi)電子實(shí)驗(yàn)室-2021/5/27】我們熟悉的物質(zhì)狀態(tài)包括固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子體，而常被稱作物質(zhì)的“第五種狀態(tài)”的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose–Einstein condensate，簡稱BEC）頗為神奇，這是一種由玻色分布預(yù)言的極低溫物理現(xiàn)象。這種狀態(tài)1924年被提出，到1995年才被科學(xué)家實(shí)現(xiàn)。而今天，科學(xué)家終于更進(jìn)一步，較為穩(wěn)定地讓分子進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。在接近一個(gè)世紀(jì)的征程后，這項(xiàng)站在巨人肩膀上的成就一定能給量子領(lǐng)域帶來更多可能。

金政教授在實(shí)驗(yàn)室中的照片（圖片來源：Jason Smith/University of Chicago）

1924年，被連續(xù)拒稿的薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）心灰意冷，選擇將自己的稿件寄給愛因斯坦。這份手稿沒有一絲經(jīng)典物理的痕跡，完全建立在量子理論的基礎(chǔ)之上，而其中的推導(dǎo)吸引了愛因斯坦的注意。愛因斯坦親自將玻色的手稿從英語翻譯成德語，并以玻色的名義寄送給當(dāng)時(shí)的重要期刊《德國物理學(xué)刊》。

正是在這篇文章中，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的概念被提出了。量子力學(xué)中，粒子由波函數(shù)描述。當(dāng)溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，粒子都處于最低能級(jí)，它們的波函數(shù)擴(kuò)散開來。如果此時(shí)粒子密度較大，波函數(shù)覆蓋的范圍超出粒子間的間距，我們無法從波函數(shù)中分辨出單個(gè)粒子，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)就產(chǎn)生了。這是一組處于相同量子態(tài)上的粒子，它們擁有完全相同的取向、完全一致的振動(dòng)頻率。

1995年，埃里克·阿林·康奈爾（Eric Allin Cornell）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將銣-87原子冷卻到170納開爾文（nK）后，首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。4個(gè)月后，沃爾夫?qū)�·克特勒（Wolfgang Ketterle）的團(tuán)隊(duì)利用納-23原子獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。后來，他們共同獲得了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但在此之后的20多年里，沒有人能穩(wěn)定地讓分子進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。相比于原子，分子能級(jí)更為復(fù)雜，用途更為廣泛。不過也正因如此，它們更難被冷卻。

論文通訊作者，芝加哥大學(xué)教授金政表示：“實(shí)驗(yàn)最難的部分就是保證分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的穩(wěn)定性，如果它們消散太快，我們就無法驗(yàn)證它們是否形成了這種狀態(tài)。”分子之間的非彈性碰撞會(huì)很快將其加熱，讓分子逃離勢阱，并且阻止分子進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。而低溫和合適的勢阱形狀，是分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)能穩(wěn)定存在的關(guān)鍵因素。

為了實(shí)現(xiàn)極冷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)分三個(gè)階段來冷卻銫原子。第一階段是激光冷卻，銫原子被放到磁光阱中，銫原子受到來自三對(duì)方向垂直的特定頻率的激光照射，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向與激光方向相對(duì)時(shí)，銫原子會(huì)吸收光子，同時(shí)獲得原先光子的動(dòng)量，但由于兩者運(yùn)動(dòng)方向相反，銫原子的動(dòng)量會(huì)降低，也就是讓其降溫。在這個(gè)過程中，銫原子能被冷卻到幾微開爾文量級(jí)。

第二階段需要拉曼邊帶冷卻，即將銫原子束縛到光晶格中，每個(gè)格點(diǎn)可以近似看作一個(gè)簡諧子勢阱。在簡諧子勢阱中，原子一般不處于振動(dòng)能級(jí)基態(tài)。而由于外加磁場對(duì)原子造成的塞曼效應(yīng)（Zeeman effect），原子能級(jí)分裂成多個(gè)能級(jí)。調(diào)整磁場讓分裂能級(jí)間隔和原子振動(dòng)能級(jí)間隔相同，再通過拉曼雙光子過程，改變?cè)�子的磁量子�?shù)和振動(dòng)能級(jí)，讓原子處于最低能量狀態(tài)，這樣就能讓原子冷卻到幾百納開爾文左右。

第三階段需要用到蒸發(fā)冷卻。將原子固定到勢阱中，不斷降低勢阱的深度，讓動(dòng)能較高的原子自發(fā)逃出勢阱。就像蒸發(fā)一樣，逃走的原子帶走了部分熱量，剩下的原子經(jīng)過彈性碰撞達(dá)到平衡后，相較于之前的狀態(tài)，整體溫度進(jìn)一步降低。最終，通過三個(gè)冷卻步驟，研究人員得到了6萬個(gè)11納開爾文的銫原子組成的凝聚體。

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)將這6萬個(gè)11納開爾文的銫原子固定到特定勢阱中，這個(gè)勢阱中，Z方向的勢阱高度遠(yuǎn)高于銫原子動(dòng)能，原子只能在和Z軸垂直的平面上運(yùn)動(dòng)，這就是所謂的二維勢阱。而這個(gè)二維的底部形狀，論文第一作者張振東表示：“我們實(shí)驗(yàn)相比之前最大的創(chuàng)新，就是勢阱的形狀，平底的勢阱相較于簡諧勢阱來說，更容易讓分子穩(wěn)定存在。”

將6萬個(gè)銫原子冷卻到11納開爾文，并固定到二維平坦勢阱中后，銫原子就已經(jīng)進(jìn)入了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。接下來，研究人員通過控制磁場變化，讓銫原子變?yōu)榱虽C分子。

兩個(gè)銫原子接近時(shí)，其整體勢能發(fā)生變化。一般而言，銫原子并不會(huì)自發(fā)變成銫分子，但銫原子和銫分子的磁矩不同，其勢能曲線隨磁場的影響也不同。通過改變磁場，銫原子和銫分子的勢能曲線就會(huì)接近，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生Feshbach共振。6萬個(gè)銫原子中，任意兩個(gè)都有機(jī)會(huì)配對(duì)轉(zhuǎn)變成銫分子，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的銫原子中的一部分就在這一步轉(zhuǎn)變?yōu)榱虽C分子。

分子勢能曲線（藍(lán)線）相對(duì)原子勢能曲線（黑線）上下移動(dòng)。兩者接近時(shí)，會(huì)發(fā)生Feshbach共振，原子會(huì)變成分子

不是所有的銫原子都能轉(zhuǎn)變成銫分子，研究人員還需要將銫原子和銫分子分離開來。而也正是由于銫原子和銫分子磁矩不同，兩者對(duì)磁場的響應(yīng)是不同的。研究人員向上施加一個(gè)帶有梯度的磁場，銫原子和銫分子就能分離開。而磁矩的不同也代表著能級(jí)的些許不同，對(duì)不同頻率激光的響應(yīng)也不同：特定的激光可以移動(dòng)銫原子，而不會(huì)移動(dòng)銫分子。磁場和激光雙管齊下，銫分子和銫原子之間就這樣分離開來。因此，這也意味著研究人員實(shí)現(xiàn)了銫分子的玻色-愛因斯坦凝聚。

“有時(shí)候在實(shí)驗(yàn)中你很難去預(yù)測你會(huì)看到什么，但是之后如果用理論去分析，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它是合理的。”張振東說道。數(shù)十年來，人們一直在朝著分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)。不論是誰最終能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，也都是站在巨人的肩膀上。2003年時(shí)，就已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)找到了分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的跡象，但是并不能讓其穩(wěn)定存在。而今天較為穩(wěn)定的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，實(shí)用意義要強(qiáng)得多。

金政教授從上世紀(jì)90年代，還是研究生時(shí)就一直想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他說：“數(shù)十年來，人們一直在嘗試實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們非常興奮。我希望這能在多體量子化學(xué)中打開一個(gè)全新的領(lǐng)域。有證據(jù)表明，還有很多未知等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。”

分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)相對(duì)于原子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)更難產(chǎn)生的原因之一，就是其震轉(zhuǎn)能級(jí)結(jié)構(gòu)更加豐富。不過也正是由于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，讓分子相對(duì)原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)有著更廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)量子工程來說，分子玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)就像一張等待人們?cè)谄渖洗笳购陥D的白紙。金政教授表示：“例如在量子化學(xué)，量子信息和精確測量方面，這種更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)能讓原本在原子上不可能的應(yīng)用變成了可能。”

撰文：王昱

審校：張振東（論文第一作者）

參考論文：

Zhang, Z., Chen, L., Yao, KX. et al. Transition from an atomic to a molecular Bose–Einstein condensate. Nature 592, 708–711 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03443-0

參考鏈接：

https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state

https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate