分子的激光冷卻和捕獲是實現(xiàn)分子量子氣體和探索量子多體物理的重要步驟。然而，目前的分子激光冷卻技術(shù)還存在一些局限性，如分子數(shù)目較少、相空間密度較低、轉(zhuǎn)移效率較低等。為了克服這些困難，科學(xué)家們提出了一種新的分子激光冷卻和捕獲方案，即利用分子的特殊能級結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了第一個分子藍移磁光陷阱（MOT）。這種陷阱可以同時實現(xiàn)亞多普勒冷卻和較強的磁光捕獲力，從而顯著提高了分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率。這項工作為進一步實現(xiàn)分子量子簡并和探索新奇的量子現(xiàn)象提供了有力的支撐。

什么是分子激光冷卻和捕獲？

分子是由兩個或多個原子通過化學(xué)鍵相互連接而成的粒子。分子具有豐富的內(nèi)部自由度，如振動、轉(zhuǎn)動、電偶極矩等，因此可以用來模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)，如量子模擬器、量子計算機、量子信息處理等。然而，要實現(xiàn)這些應(yīng)用，首先需要將分子冷卻到極低的溫度（通常在微開爾文或納開爾文量級），使其處于量子簡并狀態(tài)，即所有分子都處于最低能級或接近最低能級。這樣才能有效地控制和操縱分子之間的相互作用和相干性。

激光冷卻是一種利用激光與原子或分子之間的散射過程來降低其溫度的技術(shù)。當一個原子或分子與一個頻率略低于其躍遷頻率的激光發(fā)生散射時，它會吸收一個光子，并獲得一個與光束方向相反的動量。然后它會以同樣的頻率發(fā)射一個光子，并隨機地改變其動量方向。通過重復(fù)這個過程，原子或分子的平均動能就會降低，從而實現(xiàn)冷卻。如果同時沿著三個空間方向施加適當頻率和強度的激光束，就可以形成一個稱為光學(xué)熔爐（optical molasses）的區(qū)域，在這里原子或分子被有效地減速和冷卻。 然而，僅僅通過激光冷卻還不能將原子或分子固定在空間中，因為它們?nèi)匀粫艿酵饨鐢_動和碰撞而逸散。

為了解決這個問題，人們發(fā)明了一種稱為磁光陷阱（MOT）的裝置，它結(jié)合了激光冷卻和磁場的作用。磁光陷阱的原理是利用一個四極磁場和兩對相互垂直的反向圓偏振激光束，使得原子或分子在空間中的每個位置都受到一個與其速度成正比的恢復(fù)力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的捕獲。磁光陷阱可以將原子或分子的溫度降低到亞多普勒溫度（sub-Doppler temperature。 原子的激光冷卻和捕獲已經(jīng)在過去幾十年中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，如實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）、費米氣體、量子調(diào)控、精密測量等。

然而，分子的激光冷卻和捕獲要比原子的難得多，因為分子的能級結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，導(dǎo)致了一些困難，如躍遷頻率不匹配、自發(fā)輻射快速退激、黑體輻射加熱等。為了解決這些問題，科學(xué)家們開發(fā)了一些特殊的分子激光冷卻方案，如頻率調(diào)制、刺激力學(xué)排斥、雙共振冷卻等。這些方案使得一些具有閉合躍遷循環(huán)或近似閉合躍遷循環(huán)的分子可以被直接激光冷卻和捕獲，如SrF、CaF、YbF、YbOH、YO等。

什么是分子藍移磁光陷阱？

目前已經(jīng)實現(xiàn)了分子紅移磁光陷阱（red-detuned MOT），即使用頻率略低于分子躍遷頻率的激光束來形成光學(xué)熔爐和磁光陷阱。這種陷阱可以將分子數(shù)目增加到百萬量級，但是相空間密度仍然很低，約為10^-6，遠低于實現(xiàn)量子簡并所需的10^-3。此外，由于紅移激光束會在分子周圍形成一個勢阱，使得分子從磁光陷阱轉(zhuǎn)移到保守型光學(xué)陷阱（conservative optical trap）時會受到能量勢壘的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率很低。

為了提高分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率，科學(xué)家們提出了一種新穎的分子藍移磁光陷阱（blue-detuned MOT），即使用頻率略高于分子躍遷頻率的激光束來形成光學(xué)熔爐和磁光陷阱。這種陷阱利用了YO分子的特殊能級結(jié)構(gòu)，即其基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有兩個不同極化方向的躍遷通道，一個是π躍遷，另一個是σ躍遷。

通過選擇合適的圓偏振方向和頻率差異，可以使π躍遷的激光束形成一個藍移的光學(xué)熔爐，實現(xiàn)亞多普勒冷卻，而σ躍遷的激光束形成一個紅移的磁光陷阱，實現(xiàn)較強的捕獲力。這樣，分子就可以同時受益于兩種躍遷通道，達到更低的溫度和更高的密度。

科學(xué)家們在實驗中使用了YO分子，通過調(diào)節(jié)激光束的頻率、強度和偏振，實現(xiàn)了第一個分子藍移磁光陷阱，并觀察到了約10萬個分子被捕獲，相空間密度達到了10^-4，比之前的分子紅移磁光陷阱提高了兩個數(shù)量級。此外，由于藍移激光束不會在分子周圍形成勢阱，而是形成一個勢壘，使得分子從磁光陷阱轉(zhuǎn)移到保守型光學(xué)陷阱時會受到能量勢壘的幫助，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移效率達到了近100%。

這項工作有什么意義和價值？

這項工作是分子激光冷卻和捕獲領(lǐng)域的一個重要突破，它展示了一種新的分子激光冷卻和捕獲方案，即利用分子的特殊能級結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了第一個分子藍移磁光陷阱。這種陷阱可以同時實現(xiàn)亞多普勒冷卻和較強的磁光捕獲力，從而顯著提高了分子的相空間密度和轉(zhuǎn)移效率。這為進一步實現(xiàn)分子量子簡并和探索新奇的量子現(xiàn)象提供了有力的支撐。

例如，通過使用不同種類或不同量子態(tài)的分子，可以制備出具有豐富相互作用和對稱性的量子氣體，如偶極氣體、超固體、拓撲絕緣體等。此外，通過使用具有特定功能或性質(zhì)的分子，可以實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的精確控制和操縱，如量子模擬器、量子計算機、量子信息處理等。這些應(yīng)用都有著廣泛的科學(xué)意義和技術(shù)價值。

審核編輯：劉清