将被俘获的离子冷却到量子态

时间:2020-03-02 19:51 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

将被俘获的离子冷却到量子态

中性原子和带电离子可以被冷却到极低的温度。使用激光技术,比绝对零度高百万分之一度)。在如此低的温度下,人们常常发现这些粒子的行为符合量子力学定律。

几十年来,研究人员一直在原子和离子上进行激光冷却实验。然而,到目前为止,还没有研究观察到原子和离子在极低温度下的混合物。

阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)的研究人员首次实现了这一目标,他们将一个离子置于预冷至百万分之一开尔文的锂原子云中。他们的观测结果发表在《自然物理》杂志上,揭示了许多可能对新量子技术发展产生有趣影响的效应。

“冷原子和离子在旨在理解量子多体现象的研究中找到了应用,可以用于原子钟,甚至可能用于量子计算机,”进行这项研究的研究人员之一Rene Gerritsma博士告诉Phys.org。然而,到目前为止,还没有人能在这样的超高温度下同时制造出原子和离子的混合物。我们研究的目的是首次实现这一目标。”

在他们的实验中,Gerritsma和他的同事首先用激光冷却技术冷却单个离子。另外,他们还准备了大约10000个锂原子,并将其冷却到几开尔文。

随后,研究人员将离子与原子云重叠,并使用一套通常用于捕获离子量子计算机研究的工具来监测离子的能级。这最终使他们能够确定离子和原子云碰撞产生的能量。

“在我们的实验中,主要的挑战是保持离子被困在气体中,”格里茨玛博士解释说。“为了达到这个目的,我们使用电场,但是电场对原子和离子的碰撞有负面影响,导致加热。”

几年前,在进行类似的实验时,麻省理工学院的一个研究小组预测,使用一种非常重的离子和一种轻原子可以减轻电场产生的加热效应。这一预测最终启发了格里茨玛和他的同事们用镱离子和锂原子云进行实验。

“我们第一次观察到,中性原子气体中的离子冷却到一个量子效应变得重要的状态,”格里茨玛博士说。“该系统可以用于研究单粒子水平上的量子化学,或相互作用的原子和离子的量子多体物理,甚至可能用于缓冲气体冷却捕获的离子量子计算机。”

通过测量原子和离子在各个运动方向上的动能,Gerritsma和他的同事们能够收集到一些有趣的观察结果。例如,镱离子和锂原子之间的碰撞能量达到了所谓的s波极限,这表明量子理论有助于更好地理解碰撞。

研究小组发现了离子与原子碰撞中出现量子现象的证据。这些新发现可能会对未来的研究产生影响,例如,为深入研究被称为磁分子共振的短寿命原子-离子构型铺平了道路。在接下来的研究中,Gerritsma和他的同事们计划使用一种类似于他们最近研究中使用的方法来寻找原子和离子之间所谓的费什巴赫共振。

“在这些共振中,原子和离子可以形成一个分子,它们可以用来增强原子和离子之间的相互作用强度,”格里茨玛博士说。“在中性原子之间观察到费什巴赫共振,并预测它们也存在于原子和离子之间。然而,它们从未被观测到,因为到目前为止还没有达到所需的超冷温度。”

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