分子蓝移磁光陷阱的实现

来源：物理研究更新作者：大锅天眼
分子的激光冷却和捕获是实现分子量子气体和探索量子多体物理的重要步骤。然而，目前的分子激光冷却技术还存在一些局限性，如分子数目较少、相空间密度较低、转移效率较低等。为了克服这些困难，科学家们提出了一种新的分子激光冷却和捕获方案，即利用分子的特殊能级结构，实现了第一个分子蓝移磁光陷阱（MOT）。这种陷阱可以同时实现亚多普勒冷却和较强的磁光捕获力，从而显著提高了分子的相空间密度和转移效率。这项工作为进一步实现分子量子简并和探索新奇的量子现象提供了有力的支撑。什么是分子激光冷却和捕获？分子是由两个或多个原子通过化学键相互连接而成的粒子。分子具有丰富的内部自由度，如振动、转动、电偶极矩等，因此可以用来模拟复杂的量子系统，如量子模拟器、量子计算机、量子信息处理等。然而，要实现这些应用，首先需要将分子冷却到极低的温度（通常在微开尔文或纳开尔文量级），使其处于量子简并状态，即所有分子都处于最低能级或接近最低能级。这样才能有效地控制和操纵分子之间的相互作用和相干性。激光冷却是一种利用激光与原子或分子之间的散射过程来降低其温度的技术。当一个原子或分子与一个频率略低于其跃迁频率的激光发生散射时，它会吸收一个光子，并获得一个与光束方向相反的动量。然后它会以同样的频率发射一个光子，并随机地改变其动量方向。通过重复这个过程，原子或分子的平均动能就会降低，从而实现冷却。如果同时沿着三个空间方向施加适当频率和强度的激光束，就可以形成一个称为光学熔炉（optical molasses）的区域，在这里原子或分子被有效地减速和冷却。然而，仅仅通过激光冷却还不能将原子或分子固定在空间中，因为它们仍然会受到外界扰动和碰撞而逸散。为了解决这个问题，人们发明了一种称为磁光陷阱（MOT）的装置，它结合了激光冷却和磁场的作用。磁光陷阱的原理是利用一个四极磁场和两对相互垂直的反向圆偏振激光束，使得原子或分子在空间中的每个位置都受到一个与其速度成正比的恢复力，从而实现稳定的捕获。磁光陷阱可以将原子或分子的温度降低到亚多普勒温度（sub-Doppler temperature。原子的激光冷却和捕获已经在过去几十年中得到了广泛的发展和应用，如实现了玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）、费米气体、量子调控、精密测量等。然而，分子的激光冷却和捕获要比原子的难得多，因为分子的能级结构更加复杂，导致了一些困难，如跃迁频率不匹配、自发辐射快速退激、黑体辐射加热等。为了解决这些问题，科学家们开发了一些特殊的分子激光冷却方案，如频率调制、刺激力学排斥、双共振冷却等。这些方案使得一些具有闭合跃迁循环或近似闭合跃迁循环的分子可以被直接激光冷却和捕获，如SrF、CaF、YbF、YbOH、YO等。什么是分子蓝移磁光陷阱？目前已经实现了分子红移磁光陷阱（red-detuned MOT），即使用频率略低于分子跃迁频率的激光束来形成光学熔炉和磁光陷阱。这种陷阱可以将分子数目增加到百万量级，但是相空间密度仍然很低，约为10^-6，远低于实现量子简并所需的10^-3。此外，由于红移激光束会在分子周围形成一个势阱，使得分子从磁光陷阱转移到保守型光学陷阱（conservative optical trap）时会受到能量势垒的影响，导致转移效率很低。为了提高分子的相空间密度和转移效率，科学家们提出了一种新颖的分子蓝移磁光陷阱（blue-detuned MOT），即使用频率略高于分子跃迁频率的激光束来形成光学熔炉和磁光陷阱。这种陷阱利用了YO分子的特殊能级结构，即其基态和第一激发态之间有两个不同极化方向的跃迁通道，一个是π跃迁，另一个是σ跃迁。通过选择合适的圆偏振方向和频率差异，可以使π跃迁的激光束形成一个蓝移的光学熔炉，实现亚多普勒冷却，而σ跃迁的激光束形成一个红移的磁光陷阱，实现较强的捕获力。这样，分子就可以同时受益于两种跃迁通道，达到更低的温度和更高的密度。科学家们在实验中使用了YO分子，通过调节激光束的频率、强度和偏振，实现了第一个分子蓝移磁光陷阱，并观察到了约10万个分子被捕获，相空间密度达到了10^-4，比之前的分子红移磁光陷阱提高了两个数量级。此外，由于蓝移激光束不会在分子周围形成势阱，而是形成一个势垒，使得分子从磁光陷阱转移到保守型光学陷阱时会受到能量势垒的帮助，导致转移效率达到了近100%。

这项工作有什么意义和价值？

这项工作是分子激光冷却和捕获领域的一个重要突破，它展示了一种新的分子激光冷却和捕获方案，即利用分子的特殊能级结构，实现了第一个分子蓝移磁光陷阱。这种陷阱可以同时实现亚多普勒冷却和较强的磁光捕获力，从而显著提高了分子的相空间密度和转移效率。这为进一步实现分子量子简并和探索新奇的量子现象提供了有力的支撑。

例如，通过使用不同种类或不同量子态的分子，可以制备出具有丰富相互作用和对称性的量子气体，如偶极气体、超固体、拓扑绝缘体等。此外，通过使用具有特定功能或性质的分子，可以实现对量子系统的精确控制和操纵，如量子模拟器、量子计算机、量子信息处理等。这些应用都有着广泛的科学意义和技术价值。

参考文献：（10.1103/PhysRevLett.130.193401）

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编辑：薛定谔的薛定谔