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原子光谱项 原子能级

原子能级(原子光谱术语)
郑锦教授在实验室的照片(图片来源:詹森·史密斯/芝加哥大学)
我们熟悉的物质状态包括固体、液体、气体和等离子体 ， 通常被称为物质“第五状态”的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)相当神奇 。它是由玻色分布预言的极低温物理现象 。这个状态是1924年提出的 ， 直到1995年才被科学家认识到 。今天 ， 科学家们终于更进一步 ， 让分子更稳定地进入玻色-爱因斯坦凝聚体 。历经近一个世纪的征程 ， 这一站在巨人肩膀上的成就 ， 必将为量子领域带来更多可能 。
1924年 ， 连续遭到拒绝的萨特延德拉·纳特·玻色心灰意冷 ， 选择将手稿寄给爱因斯坦 。这份手稿没有经典物理学的痕迹 ， 完全基于量子理论 ， 其中的推导引起了爱因斯坦的注意 。爱因斯坦亲自将玻色的手稿从英文翻译成德文 ， 以玻色的名义寄给了当时重要的期刊《德国物理学报》 。
正是在这篇文章中提出了玻色-爱因斯坦凝聚体的概念 。在量子力学中 ， 粒子是由波函数描述的 。当温度接近绝对零度时 ， 粒子处于最低能级 ， 它们的波函数展开 。这时 ， 如果粒子密度很高 ， 波函数覆盖的范围大于粒子间的距离 ， 我们就无法从波函数中分辨出单个粒子 ， 就产生了玻色-爱因斯坦凝聚 。这是一组量子态相同的粒子 。它们具有相同的方向和相同的振动频率 。
1995年 ， 埃里克·阿林·康奈尔带领团队将铷-87原子冷却到170开尔文(nK)后 ， 首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚体 。四个月后 ， 沃尔夫冈·沃夫冈·克特勒的团队利用Na -23原子独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚 。后来 ， 他们获得了2001年的诺贝尔物理学奖 。
但在那之后的20多年里 ， 没有人能稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚体 。与原子相比 ， 分子能级更复杂 ， 应用更广泛 。但正因为如此 ， 它们更难被冷却 。
直到最近 ， 在《自然》杂志上发表的一篇论文中 ， 一个来自芝加哥大学和山西大学的国际研究团队将6万个11开尔文的铯原子固定在他们制作的二维平势阱中 ， 从而产生了铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚体 。在磁场的作用下 ， 这些原子形成了分子 ， 首次形成了相对稳定的铯分子玻色-爱因斯坦凝聚体 。
铯分子的玻色-爱因斯坦凝聚体成像(图片来源:郑锦教授实验室)
极冷的粒子监狱论文作者、芝加哥大学教授郑锦说 ， “实验最困难的部分是确保分子玻色-爱因斯坦凝聚体的稳定性 。如果它们消散得太快 ， 我们就无法验证它们是否形成了这种状态 。”分子之间的非弹性碰撞会迅速加热它们 ， 使它们逃离势阱 ， 并阻止它们进入玻色-爱因斯坦凝聚体 。低温和合适的势阱形状是分子玻色-爱因斯坦凝聚体稳定存在的关键因素 。
为了实现极冷的实验环境 ， 研究小组分三个阶段冷却铯原子 。第一阶段是激光冷却 ， 将铯原子置于磁光阱中 ， 用三对特定频率的激光束照射它们 ， 这三对激光束相互垂直 。当其运动方向与激光方向相反时 ， 铯原子会吸收光子 ， 同时获得原光子的动量 。但由于运动方向相反 ， 铯原子的动量会降低 ， 即被冷却 。在这个过程中 ， 铯原子能被冷却到几微开尔文 。
第二阶段需要拉曼边带冷却 ， 即铯原子被束缚到光晶格中 ， 每个格点可以近似看作谐振子势阱 。在谐振势阱中 ， 原子一般不处于振动能级的基态 。然而 ， 由于外部磁场引起的塞曼效应 ， 原子能级分裂成多个能级 。调节磁场 ， 使分裂能级间隔与原子的振动能级间隔相同 ， 然后通过拉曼双光子过程改变原子的磁量子数和振动能级 ， 使原子处于最低能量状态 ， 从而使原子冷却到几百纳开尔文左右 。
第三阶段需要蒸发冷却 。原子被固定在势阱中 ， 势阱深度不断减小 ， 使得动能较高的原子可以自发逃离势阱 。就像蒸发一样 ， 逃逸的原子带走了一部分热量 ， 剩余的原子通过弹性碰撞达到平衡后 ， 整体温度比之前的状态进一步降低 。最后 ， 通过三个冷却步骤 ， 研究人员获得了60 ， 000个11开尔文的铯原子冷凝物 。


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